Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo
Affonso Carlos Gonçalves Alvarez
Utilização do Resíduo de Oxicorte na Produção de Pó de Ferrita de Bário.
Estudo de Caso de uma Indústria Metal-Mecânica.
São Paulo
2007
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2
Affonso Carlos Gonçalves Alvarez
Utilização do Resíduo de Oxicorte na Produção de Pó de Ferrita de Bário.
Estudo de Caso de uma Indústria Metal-Mecânica.
Monografia apresentada ao Instituto de Pesquisas
Tecnológicas - IPT, para obtenção do título de Mestre
em Tecnologia Ambiental.
Orientador: Prof. Dr. Daniel Rodrigues
São Paulo
2007
3
Dedicatória
À minha esposa Lucy e ao nosso filho Rafael, pelo carinho, companheirismo e
compreensão, dedico este trabalho.
4
Agradecimentos
A Deus, por mais esta oportunidade de enriquecimento profissional e pessoal.
Ao Professor Dr. Daniel Rodrigues, pela orientação e sugestões na elaboração desta
dissertação.
Ao Instituto de Pesquisas Tecnológicas – IPT, pela
disponibilidade dos seus métodos e profissionais, os quais demonstraram
durante o convívio, extrema competência e gentileza.
À empresa na qual trabalho, pela oportunidade e apoio financeiro o qual possibilitou
a conclusão do curso.
Aos colegas Amandio Pires, Maurício Murari, Leônço Souza, Suzilene Janasi e Israel
Cruz, pela contribuição no desenvolvimento deste trabalho.
Às empresas Höganäs e Torch, pelas importantes informações que contribuíram no
desenvolvimento deste estudo.
A todos que direta ou indiretamente contribuíram para a realização dessa pesquisa
5
Resumo
A reutilização e reciclagem de resíduos para produção de novos produtos tornamse práticas cada vez mais necessárias para sobrevivência das indústrias. A alta
de preço dos insumos e a preservação ambiental demandam novas pesquisas
sobre este tema.
O oxicorte com pó de ferro é um processo muito utilizado em indústria metalmecânica e de fundição que gera um resíduo com características nobres,
passíveis de aproveitamento.
Neste trabalho encontra-se uma metodologia para utilização do resíduo do
processo de oxicorte com pó de ferro na produção de ferrita de bário para
fabricação de imãs permanentes. Foram realizados diversos testes para
caracterização do resíduo, e fabricados imãs isotrópicos e anisotrópicos a partir
do pó de oxicorte.
Palavras-Chave: Meio ambiente - Reutilização - Oxicorte - Ferrita de bário - Imãs
permanentes.
6
Abstract
The reutilization and recycling of residues to make new products become
practices needed to industry surviving. The high costs of raw materials and
supplies, and the environmental preservation demand new researches about this
issue.
The oxy-cutting with iron powder is a process with large use in mechanical and
foundry industries and they generate residues with noble characteristics, capable
of reutilization.
In this work it is presented a methodology to use the powder cutting residue to
make barium ferrite to produce permanent magnets. It was carried out several
experiments to identify the residue characteristics, isotropic and anisotropic
magnets with oxy-cutting powder were produced.
Keywords: Environment - Reutilization - Oxy-cutting - Barium ferrite- Permanent
magnets.
7
Lista de Ilustrações
p.
Figura 1
- Hierarquia da Produção mais Limpa...................................................... 17
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Figura 6
Figura 7
Figura 8
Figura 9
Figura 10
Figura 11
Figura 12
Figura 13
Figura 14
Figura 15
Figura 16
Figura 17
Figura 18
Figura 19
Figura 20
Figura 21
Figura 22
Figura 23
Figura 24
Figura 25
- Bicos de maçaricos para oxicorte (Fonte: Torch)...................................
- Diagrama do bico utilizado para oxicorte neste estudo..........................
- Bico utilizado no oxicorte........................................................................
- Conjunto alimentador de pó de ferro (fonte: Torch)................................
- Esquema de instalação do sistema de oxicorte.....................................
- Corte de massalote.................................................................................
- Massalote com corte parcial...................................................................
- Corte de canais de fundição Fe-fundido (fonte: Torch) .........................
- Cabine de oxicorte..................................................................................
- Filtro manga – oxicorte...........................................................................
- Técnicas de conformação por compressão............................................
- Forno de sinterização (fonte Nunes, R – 2003)......................................
- Aspecto de hematita (óxido de ferro natural)..........................................
- Aspecto de óxido de ferro sintético (spray roasted – Ruthner)...............
- Forno rotativo para calcinação. .............................................................
- Compactação com orientação magnética..............................................
- Processo de compactação com aplicação de campo magnético...........
- Curva de histerese típica de um imã (curvas BxH e JxH)......................
- Esquema de um sistema de magnetômetro de amostra vibrante..........
- Curva de desmagnetização (segundo quadrante)..................................
- Equipamentos críticos para análise de densidade aparente .................
- Sistema de peneiras para análise granulométrica .................................
- Fluxograma do experimento inicial para verificação de viabilidade........
- Fluxograma do experimento de produção de ferrita de bário e imãs
permanentes pelo método convencional (2ª etapa).................................
- Esquema do sistema de orientação magnética .....................................
- Magnetizador de campo pulsado............................................................
- Diagrama dos processos de fabricação da ferrita de bário....................
- Imagem da partícula do pó de ferro Höganäs AHC 100.29 usado no
oxicorte......................................................................................................
- Imagem da partícula do pó de ferro Höganäs AHC 100.29 usado no
oxicorte......................................................................................................
- MEV do pó de oxicorte original...............................................................
- Ensaio de difração por raios X - amostra: Pó oxicorte original...............
- Ensaio de difração por raios X - amostra: Pó oxicorte oxidado..............
- Curva de histerese da amostra do pó de OC, moída e misturada com
BaCO3 e calcinada em forno tubular a 1100ºC em ar atmosférico..........
- Curva de histerese da amostra do pó de OC, moída e misturada com
BaCO3, compactada a 150 MPa, calcinada e sinterizada em
dilatômetro a 1280ºC em atmosfera dinâmica de oxigênio.......................
- Curva de histerese da amostra 5,00 : 1..................................................
- Curva de histerese da amostra 5,25 : 1 .................................................
- Curva de histerese da amostra 5,50 : 1 .................................................
Figura 26
Figura 27
Figura 28
Figura 29
Figura 30
Figura 31
Figura 32
Figura 33
Figura 34
Figura 35
Figura 36
Figura 37
Figura 38
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51
51
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Figura 39
Figura 40
Figura 41
Figura 42
Figura 43
Figura 44
Figura 45
Figura 46
Figura 47
Figura 48
Figura 49
Figura 50
Figura 51
Figura 52
Figura 53
Figura 54
Figura 55
Figura 56
Figura 57
Figura 58
Figura 59
Figura 60
Figura 61
Figura 62
- Curva de histerese da amostra 5,75 : 1..................................................
- Curva de histerese da amostra 6,00 : 1..................................................
- Gráfico comparativo do teste..................................................................
- Pó oxicorte oxidado a 750 ºC durante 3 horas ao ar estático.................
- Pó oxicorte oxidado a 750 ºC durante 3 horas ao ar estático.................
- Ferrita de bário calcinada e moída.........................................................
- Ferrita de bário calcinada e moída.........................................................
- Ferrita de bário compactada 200 MPa e sinterizada 1250 ºC ...............
- Ferrita de bário compactada 200 MPa e sinterizada 1250 ºC ...............
- Curva de histerese das amostras sinterizadas.......................................
- MEV do pó da operação de rebarbação.................................................
- Retífica de cilindros de máquina de papel..............................................
- Retífica de cilindros de máquina de papel..............................................
- MEV da borra de retífica.........................................................................
- Torno vertical em operação....................................................................
- Torno vertical em operação....................................................................
- Cilindros aguardando processo de torneamento....................................
- Cilindros aguardando processo de torneamento....................................
- MEV do pó de oxicorte reduzido.............................................................
- Cabine de oxicorte..................................................................................
- Massalote utilizado no teste comparativo...............................................
- Corte sem adição de pó de ferro............................................................
- Corte com pó de ferro.............................................................................
- Vista de cima do massalote cortado.......................................................
51
52
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68
68
69
9
Lista de Tabelas
Tabela 1
Tabela 2
Tabela 3
Tabela 4
Tabela 5
Tabela 6
- Conjunto de normas ISO 14.000..................................................
- Fórmulas dos gases combustíveis...............................................
- Especificações dos materiais processados por oxicorte..............
- Distribuição granulométrica dos pós.............................................
- Análise química do pó de oxicorte................................................
- Resultados de escoabilidade dos pós Höganäs e pó de
oxicorte................................................................................................
Tabela 7 -Comparação entre propriedades magnéticas de um imã isotrópico
comercial com as de uma amostra sinterizada..................................
Tabela 8 - Resultados dos testes de propriedades magnéticas das amostras
sinterizadas.........................................................................................
Tabela 9 - Comparação das propriedades magnéticas da ferrita-oxicorte com
uma ferrita comercial...........................................................................
Tabela 10 - Distribuição granulométrica e escoabilidade do pó de oxicorte
reduzido..............................................................................................
Tabela 11 - Teste de compactação do pó reduzido.............................................
p.
15
19
36
43
44
44
50
56
57
65
66
10
Lista de Abreviaturas e Siglas
ABNT............................
Al2O3...........................
ASTM...........................
atm...............................
BaCO3........................
BaO.............................
BaO.6Fe2O3..............
Bhmax.........................
Br.................................
CaO.............................
CETESB......................
CO2 .............................
EPI...............................
FE2O3 ........................
FE3O4 ........................
g/cm3 ..........................
GLP .............................
H ..................................
H2O .............................
Hc ................................
Hci ...............................
INMETRO ....................
IPT ...............................
kA/m ............................
kG ................................
kOe ..............................
MAV ............................
MEV .............................
MgO .............................
MPa .............................
Mr ................................
Ms ...............................
Nd-Fe-B .....................
º C ...............................
O2 ...............................
OC ..............................
P+L .............................
PDCA .........................
SiO2 ...........................
Sm-Co ........................
SP ................................
UNEP ..........................
μrec ...............................
Associação Brasileira de Normas Técnicas
Alumina
American Society for Testing Materials
atmosfera (unidade de pressão)
Carbonato de bário
Óxido de bário
Hexaferrita de bário
Produto energético máximo
Indução remanente
Óxido de cálcio
Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental
Dióxido de carbono
Equipamento de proteção individual
Hematita
Magnetita
gramas por centímetros cúbicos
Gás liquefeito de petróleo
Campo magnético
Água
Campo coercivo
Campo coercivo intrínseco
Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e
Qualidade Industrial
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São
Paulo
Quilo ampér por metro
Quilo Gauss
Quilo Oersted
Magnetômetro de amostra vibrante
Microscopia eletrônica de varredura
Óxido de magnésio
Mega Pascal
Momento remanente
Momento de saturação
Neodímio-Ferro-Boro
graus Celsius
Oxigênio - gás
Oxicorte
Produção mais limpa
Plan, Do, Check and Act
Sílica
Samário-cobalto
São Paulo
United Nations Environment Programme
Permeabilidade de recuo
11
Sumário
p.
1.
Introdução ...........................................................................................................12
1.1. Seleção dos resíduos...................................................................................13
1.2. Objetivos ......................................................................................................14
2. Revisão Bibliográfica...........................................................................................14
2.1
Sistema de Gestão Ambiental segundo normas ISO 14.000 .......................14
2.2
Produção mais limpa (P+L)..........................................................................16
2.3
Oxicorte........................................................................................................18
2.4
Processos de beneficiamento de pós ........ .................................................25
2.5
Fabricação de ferritas sinterizadas ..............................................................28
2.6
Medidas magnéticas em imãs permanentes................................................32
3. Procedimentos experimentais .............................................................................35
3.1
Densidade aparente.....................................................................................36
3.2
Granulometria ..............................................................................................37
3.3
Escoabilidade...............................................................................................37
3.4
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) ................................................38
3.5
Difração de Raios X .....................................................................................38
3.6
Metalografia .................................................................................................39
3.7
Teste de perda ao hidrogênio ......................................................................39
3.8
Análise química............................................................................................39
3.9 Ensaio preliminar de fabricação de ferrita a partir do pó de OC (etapa 1)....39
3.10 Teste para fabricação de imã permanente rota convencional (etapa 2).......40
4. Resultados e discussão ......................................................................................43
4.1
Densidade aparente dos pós envolvidos......................................................43
4.2
Perda ao hidrogênio.....................................................................................43
4.3
Granulometria...............................................................................................43
4.4
Análise química do pó de oxicorte original...................................................44
4.5
Escoabilidade dos pós envolvidos (insumo Höganäs e pó de oxicorte) ......44
4.6
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) pó de ferro e pó de oxicorte...44
4.7
Ensaio de difração de raios X.......................................................................46
4.8
Teste de magnetização ...............................................................................49
4.9
Teste de fabricação de imã com o pó de oxicorte........................................51
5. Avaliação dos aspectos econômico e ambiental.................................................57
6. Conclusões .........................................................................................................58
7. Trabalhos complementares.................................................................................59
8. Bibliografia ..........................................................................................................60
Anexo I - Seleção dos resíduos .................................................................................62
Anexo II - Procedimentos experimentais para produção de pó de ferro ....................65
Anexo III -Teste comparativo de oxicorte com e sem pó de ferro...............................67
12
1. Introdução
Desde a década de 70, com os novos conceitos de conservação ambiental e a
evolução da legislação ambiental brasileira, as indústrias se depararam com o
desafio de dispor adequadamente seus resíduos, sem causar impactos ao meio
ambiente.
Muitas tecnologias se desenvolveram, e hoje existem técnicas de disposição de
resíduos com baixo potencial de danos ao meio ambiente como reciclagem, coprocessamento, incineração, encapsulamento e aterros controlados, como
soluções tipo “fim-de-tubo”. Paralelamente, os sistemas de gestão ambiental
também evoluíram como as normas da série ISO 14.000 e filosofias como
“Produção mais Limpa” e “Atuação Responsável” foram criadas para auxiliar no
trato das indústrias ao meio ambiente. Estas filosofias atuam preventivamente
onde a eliminação ou redução da geração dos resíduos são prioridades.
O sistema de gestão ambiental normalizado pela ISO 14.001 é efetivamente o
mais utilizado mundialmente. Esta norma, publicada em 1996, tornou-se
referência para estes tipos de sistemas e já recebeu sua primeira revisão no ano
de 2004. Este estudo se encaixa perfeitamente nas ações praticadas para um
sistema de gestão ambiental e no processo de gestão de “Produção mais Limpa”.
Quando a geração dos resíduos é inevitável, as tecnologias de disposição de
resíduos têm de ser utilizadas optando-se sempre pela menos agressiva ao meio
ambiente e com menor custo financeiro. Para reduzir o custo de disposição final
destes resíduos ou até mesmo transformá-lo em receita, na maioria das vezes, os
materiais devem ser segregados e passar por algum tipo de beneficiamento,
dando-lhes características interessantes a um processo de produção, para que
sirvam de matéria prima.
A alta demanda de minérios elevou os custos das matérias-primas contribuindo
para o desenvolvimento de processos para reaproveitamento dos resíduos que
contém componentes metálicos.
A indústria metal-mecânica possui uma série de resíduos em seus diversos
processos que possuem componentes nobres em sua composição. O desafio das
empresas é conseguir segregar os componentes de seus resíduos de forma a
tornar possível seu aproveitamento, agregando valor a este material, que no
momento gera custos para sua disposição adequada.
Apresenta-se a seguir a proposta de pesquisa para desenvolverem-se soluções
viáveis para aproveitamento do pó metálico residual gerado na operação de
oxicorte da indústria metal-mecânica.
Será objeto de estudo uma empresa metal-mecânica de grande porte possuidora
de uma unidade de fundição. A empresa possui processos produtivos como
fundição de ferro e aço, caldeiraria, usinagem, pintura e montagem, que geram
diversos resíduos com potencial de aproveitamento como matéria-prima ou
insumo em outros processos.
13
Durante a pesquisa, foram encontrados diversos trabalhos sobre o tema de
aproveitamento de resíduos, porém nenhum específico sobre o pó metálico
residual de oxicorte, tratado neste estudo.
1.1. Seleção dos resíduos
No início deste estudo, foram selecionados alguns resíduos da indústria mecânica
e realizados ensaios para verificar o potencial de aproveitamento dos mesmos.
Foram analisados os resíduos de pó captados no filtro manga dos fornos de
indução e conversor da fundição, pó captado no filtro-manga das cabines de
rebarbação da fundição, borra de retífica, pó metálico do torno vertical e pó
residual do processo de oxicorte. Este último foi escolhido para este estudo
devido a vários fatores que serão descritos a seguir. Um resumo com as
informações que desqualificaram os demais resíduos podem ser consultados no
Anexo I.
Após verificação de alguns fatores como: composição, quantidade gerada,
homogeneidade, constância do processo e impacto ambiental e econômico dos
resíduos, o pó residual do processo de oxicorte foi escolhido para o
desenvolvimento de uma tecnologia para seu aproveitamento comercial.
O processo de oxicorte com pó é uma operação de corte em peças metálicas
(aço inox, aço carbono e ferro fundido cinzento, para este estudo de caso) através
de um maçarico que aplica uma chama com pó de ferro no local do corte. Durante
esta operação, o pó de ferro aumenta a temperatura da chama através de sua
oxidação, permitindo o corte a fogo. Após cumprir sua função no processo de
oxicorte, o pó de ferro oxidado é direcionado por um exaustor até um filtro manga
que retém este pó residual. Atualmente o pó residual é enviado para um aterro
industrial, onde é depositado. Este descarte gera custos de horas-homem
(manuseio), transporte e a taxa de aterro. Como será apresentado nas linhas
subseqüentes, o pó de oxicorte tem características “nobres” com grande potencial
de aproveitamento, e pode deixar de ocupar espaço no aterro que poderá receber
materiais não passíveis de reutilização.
O desenvolvimento deste trabalho é direcionado para a utilização do pó de
oxicorte na produção de pó de ferrita de bário, utilizada na fabricação de imãs
permanentes. Paralelamente ao estudo da tecnologia para produção de ferrita de
bário, também foi pesquisada a possibilidade de aproveitamento deste pó residual
como pó de ferro, através de um processo de redução. Este procedimento
mostrou-se inviável tecnicamente devido às características físicas do pó de ferro
resultante. Este estudo está relatado no Anexo II.
Diversas empresas do ramo de metalurgia e siderurgia que utilizam o processo de
oxicorte com adição de pó de ferro poderão utilizar a tecnologia desenvolvida
neste estudo para dar uma disposição mais nobre ao seu resíduo, tanto do ponto
de vista ambiental como econômico.
Nas linhas que seguem, serão encontrados diversos capítulos sobre temas de
interesse neste trabalho como Sistema de Gestão Ambiental segundo normas
ISO 14.000 e Produção mais limpa (P+L), pois este trabalho se encaixa na
14
metodologia de prevenção à poluição ambiental de que tratam estes temas.
Oxicorte é outro capítulo, que é o processo gerador do resíduo em questão.
Processos de beneficiamento de pós também são descritos, onde a metalurgia do
pó é a base da tecnologia empregada. Fabricação de ferritas sinterizadas e
medidas magnéticas de imãs permanentes, que tratam do destino final do
material residual do pó de oxicorte, finalizam a revisão bibliográfica .
1.2. Objetivos
Os objetivos da pesquisa estão divididos em geral e específicos e são
relacionados a seguir.
1.2.1
Geral
O principal objetivo deste trabalho é apresentar uma técnica para utilização do
resíduo de oxicorte na produção de pó de ferrita de bário, colocando-o no
mercado como matéria-prima para fabricação de imãs.
1.2.2
Específicos
No tocante aos objetivos específicos, pretende-se o seguinte:
•
•
Desenvolver tecnologia para transformação do pó de oxicorte em pó de
ferrita de bário;
Avaliar o aspecto ambiental e econômico do aproveitamento do pó de
oxicorte.
A empresa estudada possui a certificação ISO 14.001 desde 2003, e este estudo
para aproveitamento do resíduo de oxicorte faz parte de um dos programas de
gestão ambiental da empresa, atendendo assim sua Política Ambiental, onde a
gestão de resíduos e a preservação dos recursos naturais são enfatizadas.
2. Revisão Bibliográfica
2.1
Sistema de Gestão Ambiental segundo normas ISO 14.000
Devido aos problemas ambientais cada vez mais crescentes criados pela ação do
homem, diversas atitudes de reparação e prevenção ambiental vinham sendo
realizadas sem uma sistemática definida desde a década de 60. Apenas na
década de 90, foi criada na Inglaterra a norma BS 7750 - Specification for
Environmental Management Systems (Especificação para Sistemas de Gestão
Ambiental). Este documento serviu de base para a criação das normas da série
ISO 14.000 pela International Organization for Standardization, organismo não
governamental mundial criado em 1947, que tem a ABNT (Associação Brasileira
de Normas Técnicas) como um de seus membros fundadores.
A própria norma ISO 14.001 (2004) cita o aumento da preocupação das
organizações em melhorar seu desempenho ambiental através do controle de dos
impactos de suas atividades, produtos e serviços. Desta forma, além de
atenderem a legislação cada vez mais rígida e exigente, as organizações
15
colaboram para o esforço global de preservação do meio ambiente através de um
desenvolvimento sustentável.
Segundo Eyer do Valle, C. (1996), a série ISO 14.000 provavelmente é o conjunto
de normas mais amplo criado de forma simultânea. A tabela 1 apresenta o
conjunto de normas da série ISO 14.000.
ISO 14001:2004
Sistemas de Gestão Ambiental - Requisitos e
Especificações
ISO 14004:2004
Guia geral
ISO 14010: 1996
Auditoria ambiental
ISO 14011: 1996
Auditoria ambiental
ISO 14012: 1996
Auditoria ambiental
ISO 14015:2003
Avaliação ambiental em organizações
ISO 14020:1998
Rótulos e declarações ambientais
ISO 14021:1999
Rótulos e declarações ambientais
ISO 14024:1999
Rótulos e declarações ambientais
ISO 14025:2006
Rótulos e declarações ambientais
ISO 14031:1999
Avaliação de performance ambiental
ISO TR 14032:1999
Avaliação de performance ambiental - exemplos
ISO 14040:1997
Avaliação do ciclo de vida de produtos
ISO 14041:1998
Avaliação do ciclo de vida de produtos
ISO 14044:2006
Avaliação do ciclo de vida de produtos
ISO 14050:2002
Termos e definições
ISO TR 14062:2004
Projeto e desenvolvimento de produtos
ISO 14063:2006
Comunicação ambiental
ISO 14064-1:2006
Gestão de gases do efeito estufa
ISO 14064-2:2006
Gestão de gases do efeito estufa
ISO 14064-3:2006
Gestão de gases do efeito estufa
Tabela 1 – Conjunto de normas ISO 14.000
Este conjunto de normas fornece ferramentas e estabelece um padrão para o
sistema de gestão ambiental. A norma ISO 14.001, é baseada no método “PDCA”
(Plan, Do, Check, Act - planejar, executar, verificar e agir) e requer que os
organismos definam uma política de trabalho onde se busque a melhoria contínua
do desempenho ambiental. Outra premissa básica para a implantação do sistema
16
de gestão ambiental nos padrões ISO 14.001 é o pleno atendimento à legislação
ambiental, o que facilita os relacionamentos com os órgãos públicos
fiscalizadores do meio ambiente. No estado de São Paulo esta função é atribuída
à CETESB – Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental.
Esta norma é passível de certificação por organismos de terceira parte, isto é,
uma empresa contratada (no Brasil deve ser credenciada pelo INMETRO) realiza
auditorias para comprovar o atendimento aos requisitos da norma. Posteriormente
é emitido um certificado que atesta este atendimento.
A certificação ISO 14.001, além de garantir melhores práticas ambientais pelas
empresas também ajudam a vencer barreiras comerciais, principalmente em
processos de exportação. Muitas empresas estrangeiras e algumas brasileiras,
principalmente do setor automobilístico, exigem de seus fornecedores um sistema
de gestão ambiental implantado e certificado.
2.2 Produção mais limpa (P+L)
Segundo a UNEP (United Nations Environment Programme), Produção mais
Limpa (P+L) é a aplicação contínua de uma estratégia ambiental para processos,
produtos e serviços para aumentar a eficiência e reduzir riscos para a população
e o meio ambiente.
Na prática, a aplicação do P+L se faz através de balanços de massa e energia,
avaliando-se a eficiência dos processos e identificando-se oportunidades de
melhoria.
Esta filosofia de trabalho tem como premissa que a eficiência do processo
produtivo está diretamente ligada ao consumo de recursos naturais como água,
energia elétrica e combustíveis, e à geração dos resíduos. Um processo ideal não
gera resíduo e consome uma quantidade mínima de recursos naturais.
A idéia do P+L é estudar intimamente os processos fabris identificando os pontos
de desperdício e geração de resíduos, atuando nos pontos identificados,
otimizando assim este processo.
A produção mais limpa (P+L) deve ser entendida como um gerenciamento que
enfatiza a prevenção da poluição em vez de tentar controlar os impactos
ambientais após a geração dos resíduos, emissões atmosféricas e efluentes
líquidos.
Trabalhando com a produção mais limpa, é importante saber como os resíduos
foram gerados para atuar na causa.
Assim na figura 1, onde é ilustrada a hierarquia da produção mais limpa, no topo
da pirâmide encontram-se as ações de eliminar e reduzir as perdas, o que
caracteriza a prevenção da poluição.
Já em segundo lugar, tem-se “reusar” e “reciclar”, que se referem ao
gerenciamento de resíduos, onde é analisada a possibilidade de aproveitamento
17
dos resíduos na própria fábrica ou, em último caso, externamente em outra
empresa.
Na base da figura encontram-se as operações de tratar e dispor os resíduos que
devem ser os recursos finais para o tratamento destes materiais.
O aspecto fundamental da metodologia P+L é que a mesma requer não somente
a melhoria tecnológica, mas também a mudança de atitudes. Esses fatores
reunidos fazem o diferencial em relação às outras técnicas de gerenciamento de
processos de produção.
Mudar atitudes significa encontrar uma nova abordagem para o relacionamento
entre a indústria e o meio ambiente, pois repensando um processo industrial ou
um produto em termos de P+L, pode ocorrer a geração de melhores resultados,
sem requerer novas tecnologias.
Hierarquia da Produção mais Limpa
Eliminar
Reduzir
Prevenção
da poluição
Reusar
Reciclar
Tratar e dispor
Gerenciamento
de resíduos
Controle
e disposição
Figura 1 - Hierarquia da Produção mais Limpa
Adaptado:Cleaner Production Self Assessment Guide –UNEP (1999)
Dentro ainda de uma ótica de níveis de atuação, a metodologia P+L, atua em três
níveis, sendo que nos dois primeiros, prioritários, procuram a redução na fonte e
reciclagem interna e no terceiro, focam a reciclagem externa.
Pode-se ainda atuar no projeto do produto, analisando-se seu ciclo de vida e
alterando-se seus insumos e matérias-prima, de forma que ao final de sua vida
útil, seus materiais possam ser reusados ou reciclados, minimizando os impactos
ao meio ambiente.
Outro ponto importante é a preocupação com a toxicidade dos insumos utilizados
na fabricação dos produtos, tentando substituí-los por materiais menos
agressivos.
18
Quando a redução da geração dos subprodutos já foi implementada e ainda
assim tem-se uma sobra de materiais, a reciclagem por terceiros é uma
alternativa, sendo ainda possível o aproveitamento de seu poder calorífico (caso
exista) como combustível alternativo em fornos industriais.
A metodologia P+L foi aplicada durante o desenvolvimento deste trabalho, onde
os processos envolvidos foram estudados e otimizados, porém devido a
impossibilidade de se eliminar o resíduo gerado na operação de oxicorte, o
estudo foi direcionado ao aproveitamento adequado deste resíduo.
2.3 Oxicorte
No manual de procedimentos da empresa AGA (AGA Gas Handbook - AGA AB,
Lidingö, Sweden - 1985), o oxicorte é definido como processo de seccionamento
de metais pela combustão localizada e contínua devido à ação de um jato de
oxigênio de elevada pureza, agindo sobre um ponto previamente aquecido por
uma chama oxicombustível.
O oxicorte com pó de ferro foi desenvolvido após a segunda guerra mundial,
quando a necessidade de destruir e reaproveitar grande quantidade de materiais
metálicos, entre eles aço inox e ligas de aço resistentes ao corte simples de oxiacetileno.
Conforme citado no “Manual de Operação do Corte com Pó de Ferro” (Torch), no
processo de corte de peças de ferro e aço por oxicombustível existem alguns
problemas que são sanados com a adição de pó de ferro no jato do maçarico. Os
aços inoxidáveis reagem com o oxigênio do jato formando óxidos (óxidos de
cromo e níquel) que dificultam a continuidade do corte.
O processo de corte ocorre oxidando os componentes do aço, pois o ponto de
fusão do óxido de ferro é menor do que o do próprio ferro. O ferro oxidado é
fundido e removido mecanicamente pela chama do maçarico e gravidade.
O ferro fundido e os não-ferrosos tendem a sofrer um resfriamento na zona de
corte, pois possuem uma condutividade térmica grande (o que já não ocorre com
o aço), dificultando o início e a manutenção do processo de seccionamento. Para
estes casos o pó de ferro é adicionado à chama do maçarico aumentando seu
poder calorífico e propiciando a fusão dos metais para o corte. O Anexo III
apresenta um teste de corte com uma peça de aço inox comparando a velocidade
do corte com pó de ferro e sem ele. O corte com pó de ferro mostrou-se 4 vezes
mais rápido que o corte utilizando apenas a chama de oxi-acetileno.
O pó de ferro deve ter uma baixa granulometria e é injetado diretamente no fluxo
de oxigênio do maçarico. Ao ter contato com a chama, o pó se inflama, elevando
a temperatura no ponto de corte, possibilitando um corte com qualidade dos
materiais resistentes citados acima.
Este processo também tem a vantagem de eliminar o pré-aquecimento no corte
mecanizado de ligas de aço de baixo carbono.
19
O oxicorte com pó de ferro é amplamente utilizado na indústria siderúrgica, no
corte a quente do lingotamento contínuo, no corte de sucata pesada e na
operação de escarfagem (remoção de rebarbas com chama). Já nas empresas de
fundição, o oxicorte com pó de ferro é realizado para remoção dos canais de
vazamento de metal líquido e massalotes, que são partes da peça fundida que
servem de reservatório de metal para preenchimento das lacunas que possam
ocorrer durante o vazamento e não tem mais utilidade depois que a peça está
resfriada e pronta. Também se pode utilizar o oxicorte para remoção de areia
incrustada na superfície das peças fundidas.
Para realizar o processo de oxicorte são necessários insumos como: oxigênio
(pureza mínima de 99,5%), gás combustível (acetileno, GLP, propileno, gás
natural), ar comprimido ou nitrogênio (ponto de orvalho = -18º C ou umidade <
0,88 mg/l a 21ºC e 1 atm).
Os equipamentos utilizados são: maçarico com dispositivo alimentador de pó e
recipiente alimentador de pó, que tem a função de armazenar uma quantidade de
pó de ferro suficiente para o corte completo das peças, além de alimentar o
maçarico através de mangueiras flexíveis.
A Tabela 2 mostra a fórmula molecular de alguns gases combustíveis que podem
ser utilizados no processo de oxicorte.
GASES
COMBUSTÍVEIS
LIGAÇÕES
C2H2
ACETILENO
C3H8
PROPANO
C3H6
PROPILENO
CH4
GÁS NATURAL
(METANO)
Tabela 2 - Fórmulas dos gases combustíveis Fonte: Torch Ind. e
Com. de Solda e Corte Ltda.
O corte em aço carbono é normalmente realizado sem o pó de ferro, pois o
mesmo, apesar de aumentar a velocidade do corte reduz sua qualidade. A seguir,
20
nas figuras 2 e 3 são apresentados alguns modelos de maçaricos e bicos para
operação de oxicorte.
Figura 2 - Bicos de maçaricos para oxicorte (Fonte: Torch).
Acetileno, Propano, Propileno e Gás Natural (metano) podem se usados como
combustível desde que o bico adequado seja escolhido.
A operação de oxicorte realizada na indústria em estudo utiliza o bico de maçarico
cujo diagrama é apresentado na figura 3.
Figura 3 – Diagrama do bico utilizado para oxicorte neste estudo (Fonte: Torch).
21
Este bico tem a vantagem de propiciar ao operador o corte em todas as direções
da peça, pois os orifícios por onde o pó de ferro é expelido estão em toda a
circunferência do bico. A desvantagem é o desperdício do pó de ferro que sai na
direção oposta do corte e não é oxidado pela chama. Este pó não oxidado
mistura-se à areia do piso da cabine, que é periodicamente limpa e os resíduos
desta varrição são enviados para um aterro industrial. Estima-se que em torno de
20% do pó utilizado não se oxida e é desperdiçado. O consumo de pó de ferro
gira em torno de 6 toneladas por mês. A figura 4 apresenta fotos do bico utilizado.
Figura 4 – Bico utilizado no oxicorte.
O conjunto apresentado na figura 5
injeta o pó metálico diretamente no
fluxo de oxigênio do maçarico. Para
isso necessita de uma alimentação de
ar comprimido ou nitrogênio, isento de
óleo e de baixa umidade, para evitar
entupimentos. O equipamento possui
peneira para garantir a granulometria
adequada, regulador de pressão, filtro
separador de umidade e óleo, válvulas
de escape e de segurança, e de um
injetor misturador variável.
Pode ser usado com pós de ferro,
alumínio e misturas ferro/alumínio.
Utilizado no corte de aços inoxidáveis,
aços liga, ferros fundidos, alumínio,
cobre e suas ligas.
A figura 6 apresenta o esquema de
instalação do conjunto.
Figura 5 - Conjunto alimentador de pó
de ferro (fonte: Torch)
22
Esquema de Instalação
Figura 6 - Esquema de instalação do sistema de oxicorte
Legenda:
1 - Registro de entrada Ar/N2
2 - Separador de Óleo e
Umidade
3 - Regulador de Pressão
4 - Tampa
5 - Garras de Fecho
6 - Válvula de segurança
7 - Registro de Alívio de Pressão
8 - Peneira
9 - Manômetro
10 - Registro de saída de Pó
11 - Injetor
12 - Mangueira 250 PSI
13 - Registro dispositivo de Pó
14 - Suprimento de O2. e Comb
15 - Maçarico MCS/cab. 75 graus
16 - Dispositivo de distribuição de
pó
17 - Válvula unidirecional
Fonte: Torch Ind. e Com. de Solda e Corte Ltda.
As figuras 7 e 8 apresentam a operação de oxicorte numa peça de
aproximadamente 30 toneladas de aço inox, de um equipamento para fabricação
de papel.
23
Figura 7 – Corte de massalote em peça fundida de cerca de 30 toneladas
Figura 8 – Massalote com corte parcial
24
A figura 9 mostra o corte de canal de vazamento de ferro numa indústria de
fundição.
Figura 9 – Corte de canais de fundição – ferro fundido (fonte: Torch)
Reações do corte oxicombustível
As reações de oxidação do gás combustível geram sempre os mesmos produtos,
gás carbônico (CO2) e água (H2O), desde que as quantidades estequiométricas
sejam respeitadas. Para cada gás, a quantidade de produtos varia conforme as
seguintes reações:
Acetileno:
GLP:
Gás natural:
Propileno:
2 C2H2 + 5 O2 Æ 4 CO2 + 2 H2O
C3H8 + 5 O2 Æ 3 CO2 + 4 H2O
CH4 + 2 O2 Æ CO2 + 2 H2O
2 C3H6 + 9 O2 Æ 6 CO2 + 6 H2O
Com a adição do pó de ferro para aumentar o poder calorífico do maçarico, temse a reação de oxidação que ocorre conforme apresentado com seus respectivos
índices de liberação de calor:
Primeira reação:
Segunda reação:
Terceira reação:
Fe + O Æ FeO + 267 kJ
3 Fe + 2 O2 Æ Fe3O4 + 1120 kJ
2 Fe + 1,5 O2 Æ Fe2O3 + 825 kJ
Para o caso deste trabalho, o gás utilizado foi o acetileno, cuja reação de
oxidação libera 1461 kJ por mol.
Na prática verifica-se um consumo de oxigênio de 2,26 a 3,96 m3/h por polegada
de espessura a ser cortada.
Na indústria estudada neste trabalho, a operação de oxicorte é realizada no
Departamento de Fundição desde a década de 80 com os seguintes
equipamentos:
• Conjunto armazenador de pó de ferro;
• Maçarico;
• Dispositivo para alimentação do pó de ferro.
25
É utilizado acetileno como gás combustível e ar comprimido seco para o
transporte do pó de ferro.
A operação é realizada no interior de uma cabine com exaustão, acoplada a um
filtro tipo manga para retenção do pó de oxicorte. O pó de ferro aplicado pelo
maçarico se oxida e se funde, alterando sua morfologia ao se resfriar no fluxo de
ar induzido pelo exaustor.
Nesta cabine são seccionadas em torno de 70 peças fundidas em aço inox, aço
carbono ou ferro fundido cinzento por mês. Cada peça tem massa que varia entre
30 e 50 toneladas e são transportadas através de pontes rolantes. Estas peças
são partes de equipamentos utilizados em usinas hidrelétricas como pás de
turbinas e rotores, entre outras. Em menor quantidade são cortadas algumas
peças de equipamentos para indústria de papel. Na cabine de oxicorte também
são cortadas sucatas, com o intuito de reduzir seu tamanho para que caiba no
forno e seja fundida para ser transformada em uma nova peça. Com exceção da
sucata, a maioria das peças é cortada para remoção dos massalotes e canais de
vazamento de metal.
As peças são cortadas ainda quentes, com temperatura em torno de 300 ºC, para
evitar trincas, e são resfriadas lentamente em um poço antes de serem
encaminhadas para a próxima etapa do processo.
As pessoas que realizam o oxicorte devem ser habilitadas para realizar a
operação e devem fazer seu trabalho de maneira segura utilizando os seguintes
equipamentos de proteção individual (EPI): bota com biqueira de aço, perneira,
calça de couro, blusão de couro, avental de couro, luva de raspa, touca, viseira
escura e protetor auricular.
As figuras 10 e 11 abaixo apresentam a cabine e o filtro mencionados.
Figura 10 - Cabine de oxicorte
Figura 11 - Filtro manga - oxicorte
2.4 Processos de beneficiamento de pós
Existem diversas maneiras de trabalhar com pós, transformando-os em novos
produtos com características diferentes de sua forma original. Os pós podem ser
26
conformados através de compressão, por exemplo. Neste trabalho, será utilizada
a técnica de compactação e sinterização para obter-se um produto com
propriedades físicas e químicas definidas. Investiga-se o caso de fabricação de
ferrita de bário para imãs cerâmicos.
Os imãs permanentes de ferrita de bário são produzidos por processos de
metalurgia do pó, portanto para este estudo, torna-se imprescindível algumas
considerações sobre este tema.
Para definir a metalurgia do pó, GERMAN, R. M.(1984), a colocou como uma
técnica que permite a obtenção de produtos a partir dos pós de suas substâncias
constituintes. Esses produtos podem ser peças rígidas ou porosas, maleáveis ou
apenas camadas de recobrimento de um outro produto obtido por alguma outra
técnica.
A metalurgia do pó é o processo único para se obter filtros, imãs, contatos
elétricos, escovas e metal-duro.
A metalurgia do pó compete com os processos de usinagem, fundição e
forjamento, entre outros por ser economicamente mais viável, na maioria dos
casos, pois consome menos energia e, geralmente, não necessita de processos
de acabamento.
Conforme o ASM Handbook Volume 7 (1998), a metalurgia do pó é um processo
constituído por uma série de etapas que podem cobrir desde a produção do pó
até um eventual pós-processamento da peça. No caso mais simples, as etapas
que constituem o processo são: obtenção do pó, conformação do pó e
sinterização.
2.4.1 – Obtenção do pó metálico
Virtualmente, todos os pós metálicos podem ser produzidos. Existem diversas
técnicas de produção de pós de metais que são utilizadas para abranger um
amplo espectro de especificações para diversos usos.
Os pós metálicos são produzidos por processos mecânicos ou químicos, os mais
comuns são a atomização, moagem, mistura mecânica, eletrólise e redução
química.
O método apropriado é escolhido conforme as propriedades físicas e químicas
requeridas. Os métodos químicos são utilizados quando uma alta pureza é
requerida. Os métodos mecânicos são utilizados para metais de alta dureza e
óxidos.
2.4.2 – Pré-tratamento do pó
A maioria dos pós necessitam de um pré-tratamento antes do processo de
conformação. Dependendo do uso a que se destinam, o tratamento prioriza uma
propriedade física ou química do material. Os principais tipos de pré-tratamento
são: seleção por tamanho de partícula através de peneiramento, adição de
lubrificante, mistura de diferentes pós e “blendagem” de pós para
homogeneização de vários componentes.
2.4.3 – Conformação do pó
Vários métodos de conformação que vão desde a compactação em molde com
alta pressão até conformação em pressões mais baixas com utilização de
aglomerantes podem ser empregados. O primeiro método citado é o mais usado
27
na atualidade, onde a densificação ocorre durante a conformação. Na figura 12
abaixo, são apresentados algumas técnicas de conformação por pressão.
Figura 12 - Técnicas de conformação por compressão – fonte ASM Metals Handbook
volume 7
2.4.4 – Sinterização
Sinterização pode ser brevemente definida como um processo ativado através de
aplicação de temperatura onde partículas apenas em contato mútuo ligam-se
umas às outras, formando uma estrutura rígida, total ou parcialmente densa.
Diferentes materiais e pós com diferentes características sinterizam
diferentemente, porém pode-se agrupar todos estes tipos em duas classes: a
sinterização por fase sólida e a sinterização por fase líquida. Durante a
sinterização, as partículas ligam-se umas às outras por contatos. No processo por
fase líquida, este contato é feito por um meio líquido. Na sinterização por fase
sólida, um pescoço unindo as partículas cresce por difusão no estado sólido.
Após a conformação, as peças são levadas a um forno para sinterizar (figura 13).
Em muitas ocasiões é necessário um estágio anterior, denominado présinterização. Este estágio é indicado quando a peça conformada é muito frágil e
não permite o manuseio, mas deve passar por alguma operação de ajuste na
forma antes da sinterização, quando a estrutura não é muito dura e permite
facilmente este tipo de alteração de forma. A pré-sinterização define a resistência
mecânica da peça.
Figura 13 - Forno de sinterização (fonte Nunes, R – 2003)
28
A sinterização é feita em temperaturas específicas que dependem do tipo de
processo a ser realizado e dos materiais a serem sinterizados. A atmosfera do
forno de sinterização é um outro aspecto a ser observado, pois pode ser
manejada para provocar ou evitar reações químicas.
2.5 Fabricação de ferritas sinterizadas
Como já mencionado anteriormente, a metalurgia do pó é o principal processo
para produção de imãs. Para a fabricação de imãs comerciais utilizam-se
principalmente os alnicos, terras-raras e as ferritas. Os alnicos são ligas metálicas
constituídas basicamente de alumínio, níquel, cobalto e ferro. Os imãs fabricados
com terras-raras podem ser baseado no composto Sm-Co (Samário-Cobalto) ou
Nd-Fe-B (Neodímio-Ferro-Boro). Para este estudo, será dado destaque à
fabricação de imãs através de ferrita sinterizada.
Conforme H. Kojima (1982), para produzir o imã a partir da hematita, esta deve
ser moída com pó de carbonato de cálcio (BaCO3) para formação da ferrita de
bário (BaO.6Fe2O3). A hematita utilizada pode ser natural ou sintética. As figuras
14 e 15 a seguir apresentam imagens dos óxidos naturais e sintéticos.
a
b
Figura 14 - Aspecto de hematita (óxido de ferro natural) como fornecida (a) e moída
(b) fonte: H. Kojima 1982
29
Figura 15 - Aspecto de óxido de ferro sintético (spray roasted – Ruthner) fonte: H.
Kojima 1982
A moagem do óxido com o carbonato de bário pode ocorrer em meio úmido ou
seco. O método úmido é mais eficiente e mais utilizado no processo de obtenção
de ferritas de bário. Além disto, o pó utilizado é muito fino e durante esta
operação pode haver perda de material caso se utilize o processo de moagem a
seco. O pó resultante deve ser muito fino e a mistura entre as substâncias deve
propiciar o contato entre as partículas para facilitar a reação. Existem duas
possibilidades para a operação de moagem+mistura: tambor com moinho de
bolas ou moinho atritor. Não há necessidade que o pó de óxido de ferro seja de
alta pureza, basta adicionar o carbonato de bário em excesso para que a reação
seja completa, porém quanto mais próximo da relação estequiométrica ideal a
mistura estiver, melhor será a qualidade do imã. Proporcionalmente utiliza-se a
razão molar de 1:6. Em alguns casos são adicionados aditivos como Al2O3 e SiO2,
individualmente ou combinados, na proporção de 0,5 a 2,5% em massa. O intuito
da adição destas substâncias é controlar a cinética da reação, a contração e o
crescimento do grão.
Depois de moída e misturada, a mistura deve ser calcinada em temperaturas
entre 1250º C e 1300º C ao ar.
A figura 16 a seguir mostra um equipamento típico onde se realiza a operação de
calcinação.
30
Figura 16 – Forno rotativo para calcinação. Fonte: H. Kojima 1982
Durante a calcinação, a reação entre o carbonato de bário e o óxido de ferro se
completa para formação de hexaferrita de bário conforme as reações:
BaCO3 + Fe2O3 Æ BaO. Fe2O3 + CO2
BaO. Fe2O3 + 5 Fe2O3 Æ BaO.6 Fe2O3 + CO2
BaCO3 + 6 Fe2O3 Æ BaO.6 Fe2O3 + CO2
O material produzido na calcinação tem aspecto duro e rugoso e pode formar
“torrões”. Para a próxima etapa da fabricação de imãs, a hexaferrita de bário deve
ser um pó fino e moldável, portanto uma nova moagem é necessária. Quando
deseja-se produzir imãs anisotrópicos (com orientação magnética) são realizadas
duas moagens, primeiramente a seco, obtendo-se o pó com mais de 100 μm e
posteriormente faz-se a moagem intensa a úmido, até atingir-se o tamanho de
partícula desejada. O tamanho de grão máximo desejável após a sinterização
deve ser de 1μm. Levando em consideração que existe um crescimento dos
grãos durante a sinterização, nesta moagem as partículas devem ter em torno de
0,1 a 0,5 μm. Para esta moagem são utilizados moinhos vibratórios ou de bolas e
moinhos de alta energia.
Na compactação, o pó é transferido para uma matriz, onde recebe pressão em
uma ou duas extremidades por punções. Dessa forma, o pó compactado é
removido da matriz, geralmente, muito próximo da forma final da peça. Esse
processo é chamado de “die pressing”. Existem outros processos de
compactação que são utilizados em casos específicos e não serão citados neste
trabalho.
Para fabricação de imãs, existem dois produtos possíveis: imãs isotrópicos e
anisotrópicos. Os anisotrópicos são imãs com orientação magnética definida,
enquanto os isotrópicos não possuem esta orientação. Para fabricar imãs
anisotrópicos, durante a compressão é necessária a aplicação de um campo
magnético para definir sua orientação magnética. Para que isso ocorra de
maneira eficiente, as partículas devem ser mono cristalinas e com domínios
31
magnéticos numa única direção. As partículas poli cristalinas não terão sua
perfeita orientação. A figura 17 a seguir mostra um exemplo de compactação com
aplicação de campo magnético onde uma partícula poli cristalina não teve boa
orientação magnética, enquanto as demais podem ser orientadas perfeitamente.
Figura 17 – Compactação com orientação magnética. Fonte: H. Kojima 1982
O campo aplicado varia na faixa de 400 a 800 kA/m (5-10 kOe). A figura 18 a
seguir, representa um processo industrial de compactação com aplicação de
campo magnético. A sapata (5) é deslocada para cima do molde (1) e a cavidade
do molde é fechada pelo punção inferior (4). Um campo magnético é induzido
pela bobina (2) que, junto com o efeito da gravidade e sucção causado pelo
movimento vertical do molde, assegura o preenchimento da cavidade (b). Depois
que a sapata é removida (c) e o punção superior (3) desce, o campo magnético é
acionado (d). Após a compactação e desmagnetização (e), o produto é ejetado do
molde (f).
32
Figura 18 - Processo de compactação com aplicação de campo magnético (fonte:
H. Kojima 1982)
Para definir a pressão de compactação devem ser feitos experimentos para plotar
uma curva onde a pressão ideal é verificada comparando-se densidade dos
produtos (teste de compressibilidade).
Com sua forma e orientação magnética definida, a peça é enviada para
sinterização final, onde ganhará resistência mecânica através das ligações que
foram descritas no item 2.2.4. Nesta etapa, o pó compactado tem seu tamanho de
partícula da ordem de 1 μm. Durante a sinterização, a densidade relativa cresce
de 55 para mais de 90%. Como a massa permanece constante, o volume do
compactado se reduz em aproximadamente dois terços do valor original. A
redução, em dimensões lineares, deve-se à extensiva eliminação de poros.
Em escala comercial, a operação de sinterização de hexaferrita de bário é
realizada em temperaturas próximas de 1250 ºC, sob atmosfera de ar. Entre a
sinterização e o resfriamento do imã são necessárias de 5 a 10 horas.
Devido a deformações que podem ocorrer após a sinterização, uma operação de
acabamento pode ser necessária. As principais utilizadas são: esmerilhamento,
rebarbação, lapidação e polimento.
2.6 Medidas magnéticas em imãs permanentes
Em um imã permanente existe um conjunto de propriedades que são de interesse
quando se avalia suas qualidades magnéticas. São elas: o campo coercivo (Hc), a
indução remanente (Br), o produto energético máximo (BHmáx), a permeabilidade
de recuo (μrec), a saturação (Ms) e a temperatura de Curie (Tc). Com exceção da
temperatura de Curie (Tc) e da permeabilidade de recuo (μrec), as demais podem
ser determinadas traçando-se a curva de histerese do material.
33
A figura 19 abaixo apresenta uma curva de histerese típica de um imã
permanente.
B
Br
Ms
Hci
Hc
H
Figura 19 - Curva de histerese típica de ímã
Para traçar a curva de histerese, são realizados ensaios que consistem
basicamente em aplicar um campo magnético a uma amostra e avaliar sua
resposta ao estímulo, medindo-se o fluxo magnético através de uma tensão
elétrica induzida (equação de Faraday). Para a caracterização de um imã
permanente, utiliza-se um campo magnético na faixa de 1 a 50 KOe. Um campo
de até 25 kOe pode ser conseguido utilizando-se um eletroímã e para valores
maiores deve-se utilizar um sistema de campo pulsado ou bobinas
supercondutoras.
As duas principais formas de traçar a curva de desmagnetização do imã são
através de um histeresígrafo ou de um magnetômetro de amostra vibrante (MAV).
Para este estudo será utilizado o MAV para determinar as características dos
imãs produzidos.
O MAV é constituído de um sistema formado por uma cabeça vibratória, quatro
bobinas sensoras e um módulo de detecção do sinal induzido nas bobinas
sensoras. Uma das vantagens deste método é a quantidade pequena de amostra
necessária, pois os corpos de prova podem ser esferas de 3 mm de diâmetro ou
agulhas de 1 x 1 x 5 mm.
Para sustentar o corpo de prova entre as peças polares de um eletroímã existe
uma haste presa à cabeça vibratória e as bobinas sensoras são presas junto a
estas peças polares. A figura 20 a seguir apresenta um esquema do
magnetômetro de amostra vibrante (MAV).
34
cabeça
bobinas
corpo de prova
peças polares
Figura 20 – Esquema de um sistema de magnetômetro de amostra vibrante
(MAV). Fonte: Medidas Magnéticas em Imãs Permanentes
O sinal induzido pela vibração da amostra é amplificado no módulo de detecção
(detector síncrono). O sinal é proporcional à massa e à magnetização da amostra.
Para calibrar o equipamento, utiliza-se uma amostra padrão de níquel com as
mesmas dimensões do corpo de prova.
É muito importante chamar a atenção que a caracterização do material no MAV é
realizada em um campo aberto e, portanto, existe a presença de um campo
desmagnetizante da amostra e se este fator for desprezado podem ocorrer erros
na determinação da indução remanente e da curva de desmagnetização.
Amostras de forma esférica possuem um fator desmagnetizante conhecido e,
portanto são mais indicadas neste ensaio.
Os valores do campo H e da indução magnética ou da polarização, quando
registradas simultaneamente permitem determinar a curva de desmagnetização.
A medida desta curva é feita quando se aplica inicialmente um campo máximo
(Hmáx) de saturação em um sentido, depois de atingido o ponto máximo, o campo
é removido e inverte-se a polaridade da fonte de corrente e aplica-se o campo em
direção oposta à de saturação inicial até que seja ultrapassado o campo coercivo
do material, ponto onde é traçado o segundo quadrante da curva de histerese
(figura 21 a seguir).
Uma vez determinada esta medida, várias outras características podem ser
evidenciadas como a indução remanente, o campo coercivo, o campo coercivo
intrínseco, o produto energético máximo e a polarização de saturação (caso o
campo seja suficiente para saturar o corpo de prova).
O produto energético máximo é simplesmente o valor máximo conseguido pelo
produto BH (BHmáx)
35
B
BxH max
Hc
H
Figura 21 - Curva de Desmagnetização (segundo quadrante) e Valores de BxH
É usual expressar os resultados de experimentos no Sistema Internacional, mas
para o caso das propriedades magnéticas de um imã é mais utilizado o sistema
CGS. Os próprios fabricantes de imãs apresentam seus catálogos com dados de
propriedades magnéticas preferencialmente em CGS, embora haja uma
conversão já para o Sistema Internacional. No CGS, o “B” (indução) é dado em
emu/g ou kG (quilo Gauss) enquanto no Sistema Internacional o mesmo é
expresso em Tesla (1 Tesla é igual a 10.000 Gauss). Já o “H” (campo coercivo) é
expresso em Oersted (Oe) no CGS e em kA/m (quilo Ampére por metro) no
Sistema Internacional (1 kOe é igual a cerca de 80 kA/m). Para transformar emu/g
para Gauss, basta multiplicar o valor por 4π e pela densidade em g/cm3.
3. Procedimentos experimentais
Este trabalho foi conduzido utilizando-se os métodos de pesquisa bibliográfica e
ensaios práticos de laboratório, comparando-se os resultados a dados
disponibilizados.
O primeiro passo prático para atingir os objetivos deste trabalho é a
caracterização do resíduo de pó de oxicorte. Esta caracterização é muito
importante para averiguar se o pó possui as características físicas e químicas
necessárias para obtenção do produto final desejado, neste caso, para ferrita de
bário.
Um outro detalhe importante é a forma de amostragem, que deve assegurar uma
porção representativa da geração do pó de oxicorte. No caso deste estudo, o
material gerado é muito constante, pois o insumo (pó de ferro atomizado
comercial) utilizado na operação de oxicorte possui características que não se
alteram, pois seguem uma especificação de venda.
Da mesma forma, as peças seccionadas nesta operação também têm
composição constante (80% das peças são de aço inox e 20% de aço carbono ou
ferro fundido cinzento), gerando praticamente sempre o mesmo pó residual. As
peças submetidas à operação de oxicorte são de aço inox martensítico ASTM A
743, aço carbono ASTM A 216 ou ferro fundido cinzento CL.30. Apenas o aço
inox e o ferro fundido são cortados com a adição de pó de ferro, os motivos foram
descritos no item 2.3. O aço carbono, apesar de não ter a adição do pó de ferro
36
durante o corte, é processado na mesma cabine de oxicorte e seu resíduo é
coletado de juntamente com os demais. Desta forma pode-se encontrar no
resíduo, pequenas quantidades de níquel, cromo, molibdênio, silício, manganês,
vanádio e tungstênio. A tabela 3 apresenta a especificação dos três tipos de
metais seccionados na cabine de oxicorte.
Componente
Carbono
Silício
Manganês
Fósforo
Enxofre
Aço Inox
Martensítico ASTM
A 743
0,06% (máximo)
1,00 % (máximo)
1,00 % (máximo)
0,04 % (máximo)
0,03 % (máximo)
Cobre
0,5% (máximo)
Vanádio
0,05 % (máximo)
Níquel
3,5 até 4,5 %
Molibdênio
0,4 até 1,0 %
Cromo
11,5 até 14,0 %
Tabela 3 - Especificações dos materiais
peso)
Aço
carbono Ferro
fundido
ASTM A 216
cinzento CL.30
0,25 % (máximo)
0,60 % (máximo)
1,20 % (máximo)
0,04 % (máximo)
0,045 % (máximo)
3,10 até 3,30 %
2,10 até 2,30 %
0,1 % (máximo)
0,08 % (máximo)
-
0,30 % (máximo)
0,03 % (máximo)
0,50 % (máximo)
0,20 % (máximo)
0,50 % (máximo)
0,03 % (máximo)
processados por oxicorte (porcentagem
A amostragem foi realizada de forma a se obter uma parte representativa do todo.
Pequenas porções de amostras foram tiradas do recipiente de armazenamento
durante um período de oito horas e depois homogeneizadas para compor a
amostra final.
O pó de ferro e o pó de oxicorte foram caracterizados física e quimicamente de
diversas formas como descrito a seguir:
3.1 Densidade aparente
Uma das fundamentais propriedades dos pós é a densidade aparente. Esta
propriedade define a quantidade em massa do pó em relação a um determinado
volume. Esta informação afeta parâmetros de processo como o desenho da
ferramenta de compactação e a pressão a ser utilizada. A densidade aparente
varia conforme o tamanho, distribuição, forma, superfície e arranjo das partículas.
Geralmente a densidade aparente diminui quando o tamanho da partícula é
menor, diminui quando a forma da partícula é menos esférica e mais irregular e
também diminui quanto maior é a rugosidade da superfície.
Método normatizado pela ASTM (American Society for Testing and Materials)
consiste em medir a massa de um volume conhecido de um sólido após sua
transferência através de um funil para um cilindro de volume conhecido (ASTM
B212). A densidade aparente é calculada dividindo-se a massa do material pelo
volume do cilindro. Os equipamentos críticos são mostrados na figura 22 a seguir.
37
Figura 22 - Equipamentos críticos para análise de densidade aparente (fonte:
ASM Metals Handbook vol.7)
3.2 Granulometria
A granulometria é uma técnica para conhecer o
tamanho de partículas. Devido ao baixo custo e fácil
operação, é o ensaio mais utilizado para este fim.
O método utilizado para conhecer a distribuição
granulométrica dos pós também é normatizado pela
ASTM (ASTM B214-99). Consiste em peneirar uma
massa pré-definida de pó através de um conjunto de
peneiras de diversas aberturas, dispostas em ordem
decrescente de tamanho de espaçamento das telas
com um prato coletor ao seu final. Deve haver um
movimento vibratório para possibilitar a passagem
das partículas através das peneiras. Este movimento
é aplicado por um pré-determinado período de
tempo. Ao final do teste, as peneiras e o prato são
pesados e a quantidade de pó retido é determinada
em porcentagem por peso. A figura 23 ao lado
mostra um sistema de peneiras para análise
granulométrica.
Figura 23 – Sistema de peneiras para análise granulométrica (fonte: ASM Metals
Handbook vol.7)
3.3 Escoabilidade
Muito semelhante ao teste de densidade aparente, onde uma quantidade de pó é
transferida através de um funil para um recipiente. A diferença está na
cronometragem do tempo de transferência, pois o objetivo do teste é determinar o
38
tempo necessário para uma determinada quantidade de massa de pó (50 g) seja
transferida através de um funil de dimensões pré-estabelecidas. Esta propriedade
é muito importante para produção em série de peças a partir de pós e pode
causar defeitos na peça se o pó não escoar facilmente para o molde. Este método
também é definido pela norma ASTM B213.
Para pós com baixa gravidade específica, forma e distribuição que interfiram na
escoabilidade, o funil utilizado tem um diâmetro de saída maior (funil de Carney) e
é normatizado pela ASTM B417.
3.4 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
A microscopia é uma excelente técnica de análise de forma e tamanho de
partículas pois estas são analisadas individualmente.
A microscopia eletrônica de varredura (MEV) apresenta duas vantagens em
relação à microscopia óptica: a primeira diz respeito à resolução que, enquanto
na óptica varia entre 1000 e 2000 vezes, a eletrônica chega a 60.000 vezes de
aumento. A segunda refere-se à profundidade do foco, onde na imagem
apresentada, tem-se uma ótima percepção tri-dimensional. Além de fornecer
imagens de alta resolução, análises químicas de superfícies microscópicas
podem ser realizadas. O MEV é muito utilizado no estudo da morfologia da
superfície de partículas (tamanho, forma, topografia da superfície, estrutura da
superfície, revestimento por oxidação, características de aglomeração, inclusão
ou exclusão, porosidade e contaminações).
A preparação da amostra é realizada com os procedimentos padrão de
metalografia. Para materiais condutores de eletricidade, polimento e ataque
químico são adequados na preparação. Para materiais não-condutores, deve ser
aplicada uma fina camada de carbono, ouro ou liga de ouro como revestimento.
Consiste na utilização de um microscópio eletrônico para análise visual das
partículas de um pó.
No caso deste estudo, foi utilizado o microscópio JEOL 6300 de propriedade do
IPT. Diversas informações foram obtidas como morfologia das partículas, ordem
de grandeza das contaminações, nível de oxidação do pó, constituição química,
entre outras.
3.5 Difração de Raios X
A técnica de difração de raios-x é apropriada para caracterizar pós ou agregados.
Este ensaio é utilizado para diversas determinações, incluindo identificação de
fases da estrutura cristalina e polimorfismos. O ensaio é baseado na propriedade
de que, quando um feixe de raios-X é aplicado a uma superfície metálica, ocorre
o fenômeno da difração. Assim é possível determinar o tipo de material através de
comparação com padrões existentes.
No caso de nosso estudo, este ensaio foi realizado para determinar a presença
de magnetita e hematita em nosso óxido de ferro (pó do oxicorte), bem como a
39
formação da hexaferrita. O equipamento utilizado nesta análise foi o Difratômetro
XRD 600 de marca Shimadzu.
3.6 Metalografia
O exame metalográfico é realizado sob o ponto de vista de sua estrutura,
procurando relacioná-la com as propriedades físicas, composição, e processo de
fabricação, de forma a poder prever seu comportamento a uma determinada
aplicação. O exame é denominado macrografia quando realizado “a olho nu” ou
com auxílio de uma lupa e micrografia quando se utiliza um microscópio.
Esses exames são feitos em secções do material, polidas e atacadas com
reativos adequados.
Na macrografia obtém-se informações de caráter geral como homogeneidade,
distribuição dos componentes, natureza e quantidade de certas impurezas,
processos de fabricação, etc. Pela micrografia pode observar-se a granulação do
material, a natureza, quantidade, distribuição e forma dos constituintes, inclusões,
etc.
3.7 Teste de perda ao hidrogênio
Este teste permite determinar a quantidade de oxigênio em massa presente em
alguns óxidos metálicos em pó, inclusive o óxido de ferro.
Foi utilizado neste estudo para verificar a quantidade de hematita (Fe2O3) e
magnetita (Fe3O4) presentes no pó de oxicorte.
O ensaio de perda ao hidrogênio consiste em submeter o óxido à temperatura de
1121ºC, sob uma atmosfera de hidrogênio durante 60 minutos. A amostra deve
ser espalhada em um porta-amostra (barca) específico para este fim de forma a
apresentar uma espessura aproximada de 3 mm. Esta amostra deve ser pesada
antes e após os 60 minutos do teste. A diferença de massa, expressa em
porcentagem é o resultado do teste. Este teste é normalizado pela ASTM (ASTM
E159).
3.8 Análise química
Para uma melhor caracterização do pó original o mesmo foi submetido à uma
análise de componentes num espectofotômetro de raios X fluorescentes (marca
Shimadzu, modelo 1500) e analisador de carbono (marca Leco, modelo CS 300).
Após estes ensaios de caracterização dos pós de ferro e oxicorte, partiu-se para
ensaios práticos de fabricação de ferrita de bário e imãs permanentes.
3.9 Ensaio preliminar de fabricação de ferrita de bário a partir do pó de oxicorte
(etapa 1)
Num ensaio preliminar, como foi citado nos objetivos específicos, realizou-se
procedimentos para transformação do pó de oxicorte em ferrita de bário para
confecção de imã permanente, reagindo o pó de oxicorte com carbonato de bário.
40
O objetivo deste teste foi de determinar a viabilidade de aproveitamento do
resíduo para fabricação de imãs de forma rápida, como descrito a seguir.
Inicialmente, o pó de oxicorte foi moído e misturado em um moinho atritor com
carbonato de bário P.A. (BaCO3) na proporção de 6:1 e a mistura resultante foi
dividida em duas amostras que foram tratadas de formas distintas.
A primeira amostra foi calcinada em um forno tubular, durante 3 horas numa
temperatura de 1.100ºC sob ar atmosférico para verificar se a produção de ferrita
de bário é possível. Logo em seguida, foram medidas as propriedades
magnéticas da mistura calcinada num magnetômetro de amostra vibrante (MAV)
para constatar esta possibilidade. A segunda amostra foi compactada em prensa
uniaxial, com pressão de 150 MPa e exposta a uma temperatura de 1280º C
durante 3 horas em atmosfera dinâmica de oxigênio utilizando um dilatômetro,
onde a calcinação e a sinterização ocorreram ao mesmo tempo (monoqueima),
com o objetivo de obter informações sobre a potencialidade de produção de imãs
com este material. Também foram medidas as propriedades magnéticas após
estes procedimentos para verificar se houve alguma melhoria nos resultados.
A figura 24 mostra o encaminhamento dos testes.
Figura 24- Fluxograma do experimento inicial.Verificação da viabilidade do projeto
Após estes procedimentos, as duas amostras foram levadas a um magnetômetro
de amostra vibrante (MAV) para medir as propriedades magnéticas através de
análise da curva de histerese.
3.10 Teste para fabricação de imã permanente pela rota convencional (etapa 2)
Uma vez concluídos os testes mencionados no parágrafo anterior, um teste para
fabricação de imã permanente pelo método convencional foi realizado. A figura 25
a seguir exemplifica o método.
41
Pó OC
BaCO3
Oxidação
Moagem e
mistura
Calcinação
Moagem
Orientação
magnética
Compactação
Sinterização
Medição
da magnetização
Figura 25 - Fluxograma do experimento de produção de ferrita de bário e imãs
permanentes pelo método convencional (2º etapa)
Para garantir a melhor proporção estequiométrica, o pó de OC original foi oxidado
numa mufla ao ar, à 750 ºC durante 3 horas, para que toda a magnetita (Fe3O4)
fosse transformada em hematita (Fe2O3).
Após a oxidação, foram realizadas misturas com carbonato de bário em
proporções 5,00:1; 5,25:1; 5,50:1; 5,75:1; 6,00:1, calcinadas em um dilatômetro a
1100 ºC durante 3 horas em atmosfera estática de ar e medidas as propriedades
magnéticas no MAV para se identificar a melhor proporção para fabricação do
imã.
A etapa de moagem foi processada num moinho atritor a úmido, com álcool etílico
como meio, pois o pó de OC original é muito fino e muitas perdas ocorrem ao
realizar esta operação a seco. Usualmente a moagem a seco é a mais utilizada
neste processo. Esta moagem teve duração de 20 minutos e a mistura foi levada
a uma estufa a 105 ºC para secagem.
Uma vez determinada a melhor proporção (5,25:1), uma quantidade maior de
ferrita de bário foi preparada e calcinada em forno tubular, a 1100 ºC por 3 horas,
em atmosfera estática de ar. Esta ferrita foi novamente moída e submetida a um
42
campo magnético de 2 Tesla para o processo de orientação magnética. A figura
26 a seguir apresenta o diagrama esquemático do sistema de orientação e a
figura 27 mostra o magnetizador de campo pulsado utilizado para esta operação.
Bobina
Pó de ferrita de bário
Bobina
Matriz
de borracha
Figura 26 - Esquema do sistema de
orientação magnética
Figura 27 - Magnetizador de campo
pulsado
As amostras foram compactadas em prensa isostática a 200 MPa e sinterizadas
em dilatômetro a 1250 ºC por 90 minutos. Terminada esta etapa, o imã está
pronto. O imã foi seccionado para preparação de amostras para medição das
propriedades magnéticas no MAV (magnetômetro de amostra vibrante) e análise
de superfície no MEV (microscopia eletrônica de varredura). Para ilustrar esta
etapa dos testes é apresentada a figura 28 com o diagrama esquemático dos
processos.
Figura 28 – Diagrama dos processos de fabricação da ferrita de bário
B o bin a
B ob in a
O rienta ção
m agnética
P ó d e ferrita d e bário
M atriz
d e b orrach a
P rensa isostática 20 0 M P a
C om pacta ção
F luído hidráu lico
D ilatô m etro 12 50 ºC
S interização
F e rrita
de bário
com p actada
43
4. Resultados e discussão
Os ensaios de laboratório foram iniciados com a caracterização do pó de oxicorte
e testes para verificação de algumas propriedades físico-químicas que orientarão
os caminhos para o aproveitamento comercial do pó de oxicorte, avaliando as
características físicas e químicas.
4.1 Densidade aparente dos pós envolvidos
Pó de ferro Höganäs: 2,98 g/cm3
Pó do oxicorte: 0,41 g/cm3
A primeira propriedade medida do pó de oxicorte foi sua densidade aparente.
Nota-se que o pó oriundo da operação de oxicorte tem uma densidade aparente
significativamente baixa em comparação com o pó de ferro original. Isto se deve,
principalmente, à natureza da operação de oxicorte, que envolve uma reação de
fusão e oxidação do pó. O óxido de ferro gerado (pó do oxicorte) tem
naturalmente uma densidade mais baixa, pois o oxigênio que se incorporou ao
ferro tem massa 3,5 vezes menor que o ferro. Outros contaminantes e a
morfologia da partícula também são causadores da baixa densidade.
4.2 Perda ao hidrogênio
Como resultado, obtivemos uma média de 28,71 % de perda em peso (média de
quatro determinações com resultados 28,81; 28,82; 28,60 e 28,62%).
Levando-se em consideração que o processo de oxicorte utiliza um pó de ferro
com pureza mínima de 99,8% e fazendo-se um comparativo com as perdas
conhecidas da magnetita (Fe3O4 - 27%) e da hematita (Fe2O3 - 30%), que são os
óxidos possíveis gerados nesta operação, na hipótese de não haver outros
contaminantes, tem-se uma concentração de 46% de magnetita e 54% de
hematita.
4.3 Granulometria
Peneira
Pó de
Peneira
ferro
Höganäs
+70
0,00 %
+170
-70+80
0,24 %
-170+200
-80+100
6,03 %
-200+230
Granulometria -100+140
11,73 %
-230+270
-140+200
19,29 %
-270+325
-200+325
34,50 %
-325+400
-325
28,31 %
-400
Tabela 4 – Distribuição granulométrica dos pós
Pó de
oxicorte
0,27
1,33
0,62
13,56
12,85
12,87
54,45
Comparando-se as distribuições granulométricas, o pó de oxicorte é bem mais
fino que o pó de ferro Höganäs que lhe deu origem. O pó de ferro tem maior
44
concentração nas peneiras -200+325 enquanto o pó de oxicorte tem mais de 50%
de sua distribuição granulométrica concentradas na peneira -400.
4.4 Análise química do pó de oxicorte original
Os resultados da análise química foram:
Substância
Porcentagem peso
Carbono (C)
0,8 % / 1,2 %
Silício (Si)
1,69 % / 1,71 %
Cromo (Cr)
2,68 % / 2,72 %
Níquel (Ni)
1,48 % /1,50 %
Tabela 5 – Análise química do pó de oxicorte
Na forma de óxidos
3,64 %
5,20 %
1,91 %
Os resultados da análise química foram coerentes, comparando-se com as
especificações dos materiais envolvidos no processo (aço inox martensítico
ASTM 743, aço carbono ASTM A 216 e ferro fundido cinzento). Considerando-se
que os metais encontram-se na forma de óxidos, o total de impureza do pó de
oxicorte chega a 11,75 %
4.5 Escoabilidade dos pós envolvidos (insumo Höganäs e pó de oxicorte)
Pó de
Pó oxicorte
ferro
original
Höganäs
Escoabilidade
26,41 s
Não escoa
Tabela 6 – Resultados de escoabilidade dos pós Höganäs e pó de oxicorte
O pó de oxicorte não escoa. Isto se deve à topografia das partículas, ou seja, a
rugosidade criada após o processamento do pó. Durante a operação de oxicorte,
o pó de ferro entra num processo de fusão e oxidação, o que altera a morfologia
das partículas. Na figura 31 obtida no ensaio de MEV, notamos esta propriedade.
No processamento industrial, este detalhe trará dificuldades para o transporte
desse pó.
4.6 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) do pó de ferro e pó de oxicorte
Nas figuras 29 e 30 a seguir, apresentamos imagens do pó de ferro utilizado no
processo de oxicorte (pó de ferro Hoganas AHC 100.29) e que deu origem ao
resíduo de oxido de ferro, objeto deste estudo.
45
Figura 29 - Imagem da partícula do pó de ferro Höganäs AHC 100.29 usado no
oxicorte
Figura 30 - Imagem da partícula do pó de ferro Höganäs AHC 100.29 usado no
oxicorte
O pó de ferro utilizado no oxicorte apresenta características físicas (morfológicas
e topográficas) típicas de um pó de ferro atomizado e reduzido, de forma irregular
e algumas esféricas, com tamanho de partículas variando na faixa de 10 a 100
μm.
A figura 31 apresenta imagens de MEV do pó de oxicorte.
46
Figura 31 - MEV do pó de oxicorte original
O pó oxicorte apresenta características físicas diferentes do pó que lhe deu
origem, de formas predominantemente esféricas, algumas ocas, o que indica a
presença de líquido durante o corte, devido à fusão do metal. A forma esférica
tem a menor relação entre superfície e volume e a matéria, no estado líquido,
tende a assumir esta forma por ser mais estável em relação à energia das
partículas. O tamanho de partículas varia na faixa de 10 a 30 μm, também mais
finas que o pó de ferro original, pois na fusão que ocorre durante o corte, as
partículas são divididas em seções menores. Como já explicado, esta mudança
se dá devido à fusão, oxidação e resfriamento do pó durante seu transporte via
exaustor.
4.7 Ensaio de difração de raios X
Para caracterizar melhor o pó de oxicorte, foram submetidas ao ensaio de
difração de raios X, duas amostras: uma do pó original e outra do pó oxidado em
mufla à 750 ºC por 3 horas. Os ensaios foram realizados em tubo de cobre, com
velocidade de 0,5 grau/minuto com passo 0,2 grau. As figuras 32 e 33
apresentam os gráficos destes ensaios.
47
48
49
Os resultados mostram que o pó original é essencialmente magnetita (Fe3O4),
com pequenas quantidades de outros óxidos. Já o pó oxidado teve grande parte
da magnetita transformada em hematita (Fe2O3), porém ainda contém uma
pequena quantidade da magnetita original.
4.8 Teste de magnetização
Após realização do ensaio preliminar de fabricação de ferrita de bário a partir do
pó de oxicorte (ver item 3.9), onde este foi misturado e moído com carbonato de
bário e dividido em duas amostras que passaram por procedimentos diferentes,
uma foi apenas calcinada e a outra foi calcinada e sinterizada (monoqueima). As
medidas magnéticas das ferritas produzidas foram analisadas num magnetômetro
de amostra vibrante (MAV).
Na figura 34 a seguir, apresenta-se a curva de histerese do pó calcinado e não
sinterizado. A curva apresentou uma magnetização de saturação de 53,08 emu/g.
Comparando-se com a magnetização de saturação teórica da hexaferrita de bário
(100 % pura), cujo valor é aproximadamente 71 emu/g, nota-se que a saturação
magnética da ferrita de bário produzida a partir do pó de oxicorte é mais baixo,
porém considerando-se as condições do teste, onde foi adotada a hipótese de
que todo o pó é magnetita, a quantidade de carbonato de bário utilizada no teste
não foi ideal e portanto, era de se esperar um resultado com valores menores.
Além deste fator, a temperatura utilizada na calcinação foi de 1.100 ºC devido às
condições do forno utilizado que não atinge os 1.250º C, temperatura usada nos
fornos de calcinação comerciais. O objetivo do experimento, que era a verificação
da produção de ferrita de bário foi atingido, pois houve magnetização do produto
final.
Pó OC
BaCO3
Moagem e
mistura
Calcinação
Medição
da magnetização
Figura 34 - Curva de histerese da amostra do pó de OC, moída e misturada com
BaCO3 na proporção 6:1 e calcinada em forno tubular a 1100ºC em ar atmosférico.
Analisando a curva de histerese da amostra “sinterizada” (figura 35), nota-se a
ocorrência de uma menor magnetização do que a do calcinado (figura 34), e
também apresentou valores abaixo dos níveis dos imãs industriais. A
magnetização de saturação da amostra sinterizada foi de 52,7 emu/g, enquanto a
do calcinado foi 53,08 emu/g e a magnetização de saturação teórica da ferrita de
50
bário é aproximadamente 71 emu/g. O resultado da densidade após sinterização
(4,15 g/cm3) também é menor do que a dos imãs industriais (5,1 g/cm3). Isto se
deve à forma de produção deste imã, onde a calcinação e a sinterização
ocorreram ao mesmo tempo. Durante a calcinação, existe a liberação de dióxido
de carbono proveniente do carbonato de bário. Esta liberação de CO2 deixa
espaços vazios na estrutura da partícula, tornando esta estrutura porosa, o que
reduz sua densidade.
O resultado do ensaio realizado no MAV para obtenção da curva de histerese é
baseado na densidade do material analisado. Para a amostra sinterizada foi
utilizada a densidade real (4,15 g/ cm3), que foi resultado de uma fabricação
através de monoqueima e, portanto, menor do que aquela obtida na fabricação de
ferrita pela rota convencional. A medição de propriedades magnéticas no MAV
tem relação direta com a massa da amostra, como se tem uma densidade menor,
a magnetização também tende a ser menor. Se for utilizada uma densidade típica
de um imã sinterizado (5,1 g/ cm3) para o cálculo das propriedades magnéticas, a
saturação de magnetização será de 42,9 emu/g. Na tabela 7, pode-se comparar
algumas propriedades magnéticas da amostra sinterizada com as de um imã
isotrópico comercial.
Indução remanente
Campo coercivo intrínseco
(Br)
(Hci)
Imã comercial
29,65 emu/g
2,90 kOe
Amostra sinterizada
24,65 emu/g
1,68 kOe
Tabela 7 – Comparação entre propriedades magnéticas de um imã isotrópico
comercial com as de uma amostra sinterizada.
Como já explicado, devido às condições do teste, já era esperado que
propriedades magnéticas da amostra sinterizada fossem menores do que as
um imã comercial, porém o ensaio mostrou a viabilidade do trabalho. Apesar
valores baixos de magnetização, verificou-se que a produção de imãs a partir
pó de oxicorte é possível, portanto o objetivo do experimento foi atingido.
Pó OC
as
de
de
do
BaCO3
Moagem e
mistura
Compactação
Sinterização
Medição
da magnetização
Figura 35 - Curva de histerese da amostra do pó de OC, moída e misturada com BaCO3,
compactada a 150 MPa, calcinada e sinterizada em dilatômetro a 1280ºC em atmosfera
dinâmica de oxigênio, densidade corrigida = 5,1 g/cm3.
51
4.9 Teste de fabricação de imã com o pó de oxicorte
Para definir a melhor proporção da mistura do pó de oxicorte com o carbonato de
bário foram preparadas 5 amostras com diferentes quantidades dos materiais e,
após medidas as propriedades magnéticas no MAV, foram comparados os
valores de saturação. Os gráficos abaixo mostram as curvas do teste.
Proporção 5,00:1
Proporção 5,25:1
60
40
40
Magnetização específica (emu/g)
Magnetização específica (emu/g)
60
20
0
-20
-40
20
0
-20
-40
-60
-60
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
-25
-20
-15
-10
Figura 36 – Curva de histerese da amostra
5,00 : 1
0
5
10
15
20
25
Figura 37 – Curva de histerese da
amostra 5,25 : 1
Proporção 5,75:1
Proporção 5,50:1
60
60
40
40
Magnetização específica (emu/g)
Magnetização específica (emu/g)
-5
Campo Magnético (kOe)
Campo Magnético (kOe)
20
0
-20
-40
20
0
-20
-40
-60
-60
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Campo Magnético (kOe)
Figura 38 – Curva de histerese da amostra
5,50 : 1
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Campo Magnético (kOe)
Figura 39 – Curva de histerese da
amostra 5,75 : 1
25
52
Proporção 6,00:1
Teste p/ definição de proporção
OC x Carbonato de bário
60
53
52
20
51
50
0
49
e m u /g
Magnetização específica (emu/g)
40
-20
48
47
46
45
-40
44
43
-60
42
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
5,00:1
5,25:1
5,50:1
5,75:1
6,00:1
Campo Magnético (kOe)
Figura 40 – Curva de histerese da amostra
6,00 : 1
Figura 41 – Gráfico comparativo do
teste
Através deste teste, definimos que a melhor proporção de mistura é de 5,25
partes de pó de oxicorte para 1 parte de carbonato de bário.
Para garantir a homogeneidade da amostra, o pó de oxicorte foi oxidado a 750 ºC
durante 3 horas em uma mufla sob atmosfera estática de ar. As figuras 42 e 43
apresentam as imagens do MEV destas amostras.
Figura 42 – MEV do pó oxicorte oxidado a 750 ºC durante 3 horas ao ar estático.
53
Figura 43 – MEV do pó oxicorte oxidado a 750 ºC durante 3 horas ao ar estático.
As imagens do pó oxidado são semelhantes ao do pó de oxicorte original pois a
adição do oxigênio não altera a topografia das partículas.
Definida a proporção da mistura, foi preparada uma amostra, e seguida a rota
convencional de fabricação de imã anisotrópico de ferrita de bário (mistura ->
moagem -> calcinação -> moagem -> orientação magnética -> compactação ->
sinterização) e medidas as propriedades magnéticas da mesma.
Após a mistura e moagem do pó de oxicorte com o carbonato de bário, a amostra
foi calcinada em forno tubular, a 1100 ºC por 3 horas, em atmosfera estática de
ar. A seguir, são apresentadas imagens de MEV do pó de ferrita de bário,
resultado deste processo (figuras 44 e 45).
54
Figura 44 - Ferrita de bário calcinada e moída
Figura 45 - Ferrita de bário calcinada e moída
Nas imagens da ferrita de bário calcinada e moída, notamos que as partículas
estão extremamente finas, porém aglomeradas, o que pode dificultar a operação
de orientação magnética a seco. O formato angular das partículas são típicos de
produtos intensamente moídos.
55
As próximas etapas foram a orientação magnética, seguida de compactação e
sinterização da amostra (compactação em prensa isostática a 200 MPa e
sinterização a 1250º C por 90 minutos).
Nas imagens de MEV da ferrita sinterizada (figuras 46 e 47), notamos a boa
compactação e a ocorrência pequena de poros.
Figura 46 - Ferrita de bário compactada 200 MPa e sinterizada 1250 ºC por 90
minutos sem ataque
Figura 47 - Ferrita de bário compactada 200 MPa e sinterizada 1250 ºC por 90
minutos sem ataque
A densidade do imã foi determinada através do ensaio de densidade hidrostática
em quatro repetições onde foi constatado um valor médio de 5,1 g/cm3.
56
Para finalizar o estudo da fabricação do imã a partir do pó de oxicorte, realizou-se
a medição das propriedades magnéticas do mesmo através de um magnetômetro
de amostra vibrante. Para este ensaio, o imã foi seccionado em três agulhas. O
gráfico abaixo apresenta a curva de histerese destas amostras.
Amostras orientadas/sinterizadas
80
7686A
7686B
60
7686C
M (emu/g)
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-20
-15
-10
-5
0
H (kOe)
5
10
15
20
Figura 48 – Curva de histerese das amostras sinterizadas em dilatômetro a 1250
ºC por 90 minutos
amostra
7686A
7686B
7686C
média
Hci
kOe
1,45
1,48
1,47
1,47
Mr
emu/g
40,4
38,6
39,3
39,4
Ms
emu/g
57,1
56,6
55,7
56,5
Mr/Ms
emu/g
0,71
0,68
0,71
0,70
Tabela 8 – Resultados dos testes de propriedades magnéticas das amostras
sinterizadas
Onde:
Hci = campo coercivo intrínseco
Mr = momento remanente
Ms = momento de saturação
Os resultados acima foram comparados aos obtidos de uma ferrita comercial
sinterizada por 60 minutos a 1250 ºC e cujas propriedades magnéticas foram
medidas no IPT:
57
amostra
Média
Oxicorte
Ferrita
comercial
Hci
kOe
Mr
emu/g
Ms
emu/g
Mr/Ms
emu/g
1,47
39,4
56,5
0,70
2,33
51,5
64
0,80
Tabela 9 – Comparação das propriedades magnéticas da ferrita-oxicorte com
uma ferrita comercial sinterizada por 60 minutos a 1250 ºC
Nota-se que o imã produzido com o pó de oxicorte tem qualidade inferior ao imã
comercial. O campo coercivo intrínseco (Hci) é menor e pode ter sido influenciado
pela orientação a seco, uma vez que as partículas estavam muito finas e
aglomeradas, o que prejudica a orientação. Os momentos foram menores (Mr e
Ms) devido às contaminações existentes no pó de oxicorte.
5. Avaliação dos aspectos econômico e ambiental
Para se avaliar os aspectos econômico e ambiental deve-se, inicialmente,
classificar e quantificar o resíduo em estudo.
A quantidade de resíduo de pó de oxicorte gerada na empresa em estudo é, em
média, 4.000 kg por mês. Esta quantidade varia de acordo com a demanda de
mercado e a produção de fundidos de aço e ferro.
Conforme a norma NBR 10.004 (2004), o resíduo do oxicorte é classificado como
não perigoso e não inerte (classe IIA), devido às concentrações de ferro e cromo
estarem acima do limites definidos para o ensaio de solubilidade (0,05 mg/l para o
cromo e 0,3 mg/l para o ferro), porém abaixo dos limites que o classificariam
como perigoso devido sua toxicidade.
Desta forma, o pó residual de oxicorte tem um baixo potencial de danificar o meio
ambiente, porém não pode ser considerado inerte.
Como visto no item 4.4, o resíduo é composto por óxidos de ferro e pequenas
quantidades de carbono, silício, cromo e níquel. Os óxidos de ferro não oferecem
riscos ambientais, pois são elementos encontrados em abundância na natureza
no estado original. Já o cromo e o níquel têm características tóxicas e que podem
impactar negativamente o ambiente onde for descartado, portanto deve-se
escolher uma forma de disposição final adequada, eliminando ou contendo estes
potenciais impactos.
Avaliando-se a quantidade de pó gerada, descartam-se 1296 kg de cromo e 720
kg de níquel por ano, contaminantes dos 48.000 kg de pó descartados.
Economicamente, o impacto não é significativo para empresas de grande porte.
Usualmente, as empresas maiores sub-contratam serviços para beneficiar ou
dispor seus resíduos e não contam com as receitas provenientes da venda destes
materiais. Estas empresas possuem departamentos com especialistas ambientais
e sistemas de gestão que programam auditorias nos locais de processamento de
seus resíduos para assegurar que estes estão sendo tratados de maneira correta
58
sem danos ao meio ambiente. Desta maneira, garantem que a imagem da
empresa não será associada a problemas de degradação ambiental. De forma
bem simplista, a empresa tem como pensamento que, se não gastar para dispor
adequadamente seus resíduos, já atingiu um nível desejado, financeiramente
falando. Receitas provenientes da venda de resíduos contam apenas como
marketing para o departamento ambiental e ajuda a mostrar que este
departamento pode se auto-sustentar, equilibrando as despesas e receitas.
O custo de disposição de um resíduo classe II A (não perigoso e não inerte) num
aterro industrial devidamente licenciado gira em torno de R$ 100,00 (cem reais)
por tonelada. Já o custo de transporte varia com a distância a ser percorrida entre
o gerador e o aterro, para o caso em questão, em torno de R$ 80,00 (oitenta
reais) por tonelada. Para a empresa estudada, que gera aproximadamente 48
toneladas por ano, este custo seria de R$ 8.640,00 (oito mil, seiscentos e
quarenta reais), um custo considerado irrisório comparado com a receita da
empresa. Estimando-se que o pó de oxicorte seja vendido a R$ 1,00 por quilo
(metade do preço da ferrita de bário comercial), tem-se uma receita em torno de
R$ 48.000,00 (quarenta e oito mil reais) por ano. Fazendo-se um balanço geral, a
empresa deixaria de gastar R$ 8.640,00 e teria uma receita de R$ 48.000,00 a
cada ano.
Outro fator ambiental a ser considerado é o consumo de recursos naturais, pois
são consumidos anualmente perto de 7.800 toneladas de pó de ferro para o
utilização em oxicorte (Höganäs), a reserva natural de minérios de ferro tende a
se esgotar e o reaproveitamento de resíduos será a única fonte deste material.
A atitude de reaproveitar os resíduos gerados atende a política ambiental da
empresa estudada, onde a conservação dos recursos naturais e a diminuição dos
resíduos são consideradas fatores estratégicos no esforço global de preservação
do meio ambiente.
Muitas empresas de pequeno porte que praticam oxicorte com pó de ferro, não
tem recursos para aplicar em pesquisas de aproveitamento de resíduos e os
descartam de maneira inadequada, causando graves danos ambientais. Estas
empresas podem se beneficiar da metodologia apresentada neste trabalho para
sanar este problema.
6. Conclusões
Utilizando-se a metodologia apresentada, restringido-se
empregadas no desenvolvimento do trabalho, conclui-se que:
às
condições
¾ Os imãs anisotrópicos produzidos a partir do pó do resíduo de oxicorte
têm momento de saturação 12% menor que o imã anisotrópico
comercial. Essa diferença do momento de saturação pode estar ligada
a impurezas existentes no pó de oxicorte, cerca 11% em peso.
¾ A relação de orientação magnética é 12,5% menor, a coercividade
intrínseca é 37% menor e momento remanente é 23,5 % menor. A
relação de orientação magnética menor deve estar relacionada à
ineficiência da orientação magnética. A coercividade intrínseca baixa
59
pode ter acontecido devido à temperatura baixa ou pouco tempo de
sinterização.
¾ O pó de oxicorte pode ser utilizado como matéria prima para fabricação
de imãs anisotrópicos de ferrita de bário. Para que sua qualidade seja
melhor, é necessário um pré-tratamento de oxidação, transformando
toda a magnetita (Fe3O4) em hematita (Fe2O3). A fabricação do imã
sem a pré-oxidação também é possível, porém a qualidade do imã será
prejudicada devido à falta de precisão na estequiometria da reação do
óxido de ferro com o carbonato de bário.
¾ Outra aplicação para o pó de oxicorte pode ser a fabricação de imãs
isotrópicos, cujos valores das propriedades magnéticas, apesar de
menores, são próximas, comparando-se com um imã isotrópico
comercial. O pó pode também ser utilizado como carga (diluição),
misturando-se à ferrita de bário na produção em escala industrial.
A utilização deste resíduo como apresentado nas linhas deste trabalho é uma
solução economicamente viável para as empresas que realizam a operação de
oxicorte com pó de ferro e atualmente tem um custo para disposição do material
em aterros.
Embora o valor econômico seja insignificante para uma empresa de grande porte,
existe um componente ambiental que está sendo considerado que é a reutilização
de um material nobre que estaria ocupando espaço em um aterro, espaço este
que pode ser aproveitado para resíduos industriais sem potencial de utilização.
7. Trabalhos complementares
Para otimizar as propriedades magnéticas de imãs fabricados a partir do pó de
oxicorte, recomenda-se a realização de um ensaio variando-se a temperatura e o
tempo de sinterização, pois a baixa coercividade intrínseca obtida no imã
desenvolvido neste estudo pode ser melhorada aumentando-se o tempo e/ou a
temperatura de sinterização. Estas variáveis têm um ponto ideal que deve ser
obtido experimentalmente, pois alguns efeitos indesejáveis, como o crescimento
do grão, também podem ocorrer se a temperatura for muito alta. Portanto, neste
trabalho complementar, o tamanho do grão deve ser controlado através do
monitoramento da coercividade intrínseca.
Outra propriedade que pode ser melhorada é a relação de orientação magnética
(Mr/Ms) achando-se o ponto ótimo de moagem, evitando-se formatos angulares
que dificultam o processo de orientação magnética das partículas.
60
8. Bibliografia
AGA Gas Handbook - AGA AB, Lidingö, Suécia - 1985
ANDRADE, L. Processo de sinterização. Escola de Engenharia da UFMG, mar.
1992. (Monografia).
ASM INTERNATIONAL - Powder Metal Technologies and Applications - ASM
Handbook Volume 7 - 1998
ASTM - AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS - 1987 Annual Book
of ASTM Standards. Easton, 1987. 1017p.
E. P. Wohlfarth – Ferromagnetic Materials – Hard Ferrites and Plastoferrites
Volume 3 – North Holland – Physics Publishing - 1982
Eyer do Valle, C. Como se Preparar para as Normas ISO 14000 - Qualidade
Ambiental. Editora Pioneira - São Paulo - 1996
GERMAN, R.M. Powder Metallurgy Science. New Jersey: Metal Powder
Industries Federation, 1984. 279p.
GRUPO DE TECNOLOGIA DO PÓ – METALURGIA DO PÓ E CERÂMICA –
UFRN - Consulta geral à homepage oficial – Disponível em
<http://grupopo.vilabol.uol.com.br/index.html> Acesso em 30 jul. 2005
H. KOJIMA, Fundamental Properties of Hexagonal Ferrites, in Ferromagnetic
Materials, Ed. E. P. Wolfarth, v3, North-Holland Publ. Co., New York, 1982.
METAL POWDER INDUSTRIES FEDERATION – MPIF. Consulta geral à
homepage oficial. Disponível em:< http://www.mpfi.org> Acesso em 14 ago.
2005.
NBR ISO 14001 “Sistemas da gestão ambiental - Requisitos com orientação
para uso” - Referências – Elaboração, da Associação Brasileira de Normas
Técnicas (versão de 31/12/2004)
NBR 10004 “Resíduos sólidos - Classificação” - Referências – Elaboração, da
Associação Brasileira de Normas Técnicas (versão de 31/05/2004)
NUNES, R.A. Conformação de Materiais – DCMM – PUC – Rio de Janeiro,
2003
OLIVEIRA, Eduardo Reis de and MARTINS, Jader. Emprego de resíduos
siderúrgicos e pellet feed minipelotizados na sinterização de minério de
61
ferro. Rem: Rev. Esc. Minas, Oct./Dec. 2003, vol.56, no.4, p.249-254. ISSN 03704467.
RODRIGUES, D. ; ONELLI, J. C. S. ; JANASI, S. R. . Anisotropic ferrite
produced with coarse particles milled from sintered magnets . In:
PTECH2001 - Third International Latin-American Conference on Powder
Technology, 2001, Florianópolis, 2001.
TORCH INDÚSTRIA E COMÉRCIO DE CORTE E SOLDA LTDA. - Corte com Pó
de Ferro - Manual de Operação - Maricá - Rio de Janeiro
WORCESTER POLYTECHNIC INSTITUTE – WPI - POWDER METALLURGY
RESEARCH CENTER. Consulta geral à homepage oficial. Disponível em:
<http://www.wpi.edu/Academics/Research/PMRC> Acesso em 14 ago. 2005.
62
ANEXO I
Seleção dos resíduos
No início deste trabalho, diversos resíduos de processos da indústria metalúrgica
foram avaliados quanto ao seu potencial de aproveitamento.
Os resíduos estudados foram:
a) Pó captado no filtro-manga dos fornos de indução e conversor da Fundição
Este resíduo é gerado durante o processo de fundição de ferro e aços (carbono e
inox) e captado no filtro-manga. Após realização de sua caracterização, foi
comprovada a impossibilidade de sua utilização no processo proposto devido ao
seu alto teor de sílica e óxido de cálcio. Análise química do resíduo: SiO2 =
9,25%; Al2O3 = 0,68%; Fe2O3 = 45,02%; CaO = 11,69%; MgO = 3,42%.
b) Pó captado no filtro-manga das cabines de rebarbação da fundição
Este pó metálico é gerado na operação de rebarbação, que consiste no desbaste
com ferramentas abrasivas das imperfeições das peças metálicas fundidas. Este
resíduo também foi descartado deste estudo pelo mesmo motivo dos resíduos
dos fornos da fundição, ou seja, alto teor de sílica. A microscopia eletrônica de
varredura, constatou grande concentração de silicatos. A figura 49 abaixo
apresenta a imagem do MEV.
Pó rebarbação
13 μm
Figura 49 – MEV do pó da operação de rebarbação
63
c) Borra de retífica
Este resíduo é proveniente da operação de retífica de cilindros de máquinas de
papel. As figuras 50 e 51 abaixo mostram fotos de uma operação de retífica de
cilindros. As retificadoras utilizam materiais abrasivos como carbonetos e
silicatos de titânio para correção da superfície dos cilindros, também é necessário
o uso de fluído refrigerante, normalmente um óleo solúvel.
Figuras 50 e 51 – Retífica de cilindros de máquina de papel
Estes três componentes (aço do
cilindro, carboneto de titânio e
óleo solúvel) compõem a borra
residual de retífica, que mostrou
algum potencial de reutilização.
A figura 52, ao lado, apresenta
a imagem de microscopia
eletrônica de varredura da
seção polida deste resíduo. No
entanto, devido à falta de
continuidade e homogeneidade
do processo, optou-se por não
dar andamento ao estudo deste
resíduo.
Borra de retífica
250 μm
Figura 52 – MEV da borra de retífica
d) Pó metálico do torno vertical
Este resíduo é gerado no torneamento de grandes peças no torno vertical. Este
torno utiliza ferramentas abrasivas compostas de carboneto de tungstênio e
cobalto para desbaste das peças. As peças (normalmente cilindros de ferro e aço)
vêm da fundição da fábrica cobertas por uma camada de grafite, componente
64
este agregado ao resíduo durante o torneamento. As figuras 53 e 54 mostram
fotos da operação de torneamento e as fotos 55 e 56 apresentam um cilindro
grafitado esperando para ser torneado. Um exaustor acoplado a um filtro-manga
remove pó metálico grafitado durante o processo e este resíduo é coletado em
um tambor metálico para posterior descarte em aterro industrial classe II.
Figuras 53 e 54 - Torno vertical em operação
Figuras 55 e 56 – Cilindros aguardando processo de torneamento
Este resíduo foi eliminado do estudo devido à baixa quantidade gerada
(aproximadamente 150 kg/mês).
65
Anexo II
Procedimentos experimentais para produção de pó de ferro a partir do pó de oxicorte
Densidade aparente do pó reduzido:
Pó do oxicorte reduzido: 1,17 g/cm3
A densidade aparente do pó reduzido é baixa, comparando-se com a do pó de
ferro que o originou (2,98 g/cm3), o que reduz a possibilidade de sua utilização na
indústria de sinterizados. Esta baixa densidade deve-se à morfologia da partícula
após a retirada do oxigênio pela redução, que deixa espaços vazios (poros) e
deixa a partícula com mais volume e menos massa. A densidade baixa pode ser
uma propriedade interessante para indústria de freios.
A distribuição granulométrica do pó reduzido
Pó de ferro
OC
Pó de ferro
OC
Höganäs
Reduzido
Höganäs
Reduzido
0,00 %
0,92 %
Escoabilidade
0,24 %
3,64 %
26,41 s
83,04 s
6,03 %
7,58 %
11,73 %
12,32 %
19,29 %
17,48 %
34,50 %
24,86 %
28,31 %
32,92 %
Tabela 10 – Distribuição granulométrica e escoabilidade do pó de oxicorte
reduzido e pó de ferro Höganäs
A distribuição granulométrica dos dois pós são muito semelhantes, porém a
escoabilidade do pó reduzido é bem menor que a do pó de ferro Höganäs, o que
dificulta muito o manuseio deste pó.
Teste de compactação do pó reduzido
Existem diversas técnicas de compactação de pós, mas a principal e mais
utilizada é a compactação uniaxial. Este teste foi realizado na prensa uniaxial de
10 toneladas par corpos de prova de diâmetro 11,33 mm do IPT e aplica uma
pressão pré-definida sobre o pó dentro da cavidade de uma matriz através de um
punção. O teste de compactação do pó reduzido foi realizado sob 400 e 600
MPa.
66
Após realização do teste de compactação numa prensa uniaxial de 10 toneladas,
obteve-se os seguintes resultados:
Pressão 400 MPa:
Pressão 600 MPa:
Altura = 0,486 cm
Altura = 0,515 cm
Diâmetro = 1,132 cm
Diâmetro = 1,133 cm
Massa = 2,31 g
Massa = 2,68 g
Densidade = 4,73 g/cm3
Densidade = 5,16 g/cm3
Tabela 11 – Teste de compactação do pó reduzido
A densidade do pó de ferro original (Höganäs) é de 6,58 g/cm3 para pressão de
compactação de 400 MPa e 7,14 g/cm3 para pressão de 600 MPa.
O teste apresentou uma baixa compressibilidade do pó reduzido, o que dificulta
sua comercialização para indústria de sinterizados. A compressibilidade baixa
deve-se aos contaminantes (outros óxidos) que são agregados ao pó e a
alteração da morfologia, que deu características esféricas às partículas durante a
operação de oxicorte.
Figura 57 - MEV do pó de oxicorte reduzido
Nas imagens do pó reduzido, a rugosidade aumenta devido à remoção do
oxigênio, tornando as partículas mais porosas.
67
Anexo III
Teste comparativo de oxicorte com e sem pó de ferro
Para efeitos comparativos, foi realizado um teste em que um massalote de aço
inox de dimensões 60 cm (altura) x 130 cm (largura) x 20 cm (espessura irregular) foi submetido ao oxicorte com e sem o pó de ferro. O tempo e a altura
do corte foram medidos. As figuras 58 e 59 a seguir mostram a cabine de corte e
o massalote.
Figura 58 - Cabine de oxicorte
Figura 59 - Massalote utilizado no teste comparativo
68
Um massalote de aço inox foi posicionado na cabine de oxicorte e o
seccionamento teve início apenas com o maçarico alimentado com acetileno e
oxigênio. A operação durou 5 minutos e 26 segundos e o corte teve um
comprimento de 15 cm. A operação teve uma velocidade de 0,046 cm/s.
A figura 60 a seguir apresenta o corte efetuado.
Figura 60- Corte sem adição de pó de ferro
Numa segunda etapa, o maçarico teve alimentação de pó de ferro Höganäs AHC
100.29 e foi posicionado em outro ponto do massalote. Nesta etapa, a operação
durou 1 minuto e 38 segundos e o corte mediu 19 cm. Uma velocidade de 0,19
cm/s. A figura 61 a seguir apresenta este corte.
Figura 61 - Corte com pó de ferro.
69
É importante esclarecer que, no ponto em que o massalote foi cortado sem pó de
ferro, sua espessura era de 20 cm enquanto no ponto do corte com pó esta
espessura era 30 cm. A figura 62 a seguir apresenta este detalhe.
Figura 62 - Vista de cima do massalote cortado
O corte com pó de ferro foi 4 vezes mais rápido do que o corte sem o pó.
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